简单介绍MOSFET的原理

MOSFET 简介

     MOSFET就是以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管，其特点是用栅极电压来控制漏极电流。

    以N沟道增强型NMOSFET为例，用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S（源极）及D（漏极）。

MOSFET 种类

     按照制作工艺可以区分为为增强型、耗尽型、P沟道、N沟道共4种类型，在实际应用中，以增强型的NMOS和增强型的PMOS为主。

    怎么区分是N沟道还是P沟道：中间的箭头指向内部的是N沟道，反之，则是P沟道。

    怎么区分是增强型还是耗尽型：中间是虚线的是增强型，是实线的是耗尽型。

MOSFET 基本工作原理

      通过改变栅源电压VGS来控制沟道的导电能力，从而控制漏极电流ID。因此它是一个电压控制型器件。转移特性反映了栅源电压对漏极电流的控制能力 。

     NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

    PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

增强型和耗尽型

       耗尽型MOS管在G端（Gate）不加电压时有导电沟道存在，而增强型MOS管只有在开启后，才会出现导电沟道；两者的控制方式也不一样，耗尽型MOS管的VGS（栅极电压）可以用正、零、负电压控制导通，而增强型MOS管必须达到VGS（th）（栅极阈值电压）才能导通。

 

（1）增强型：栅极与衬底间不加电压时，栅极下面没有沟道存在，也就是说，对于NMOS，阈值电压大于0；PMOS，小于0。

（2）耗尽型：栅极与衬底间不加电压时，栅极下面已有沟道存在，也就是说，对于NMOS，阈值电压小于0；PMOS，大于0。

N MOS增强型

       (1)当VGS=0时管子是呈截止状态；

       (2)若0＜VGS＜VGS(th)时，不足以形成导电沟道将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID；

       (3)当VGS＞VGS(th)时（ VGS(th)称为开启电压），可以形成导电沟道将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。

N MOS耗尽型

       (1)当VGS=0时，导电沟道已经存在，管子是呈导通状态，只要有漏源电压，就有漏极电流存在；

       (2)若VGS > 0 时，将使ID进一步增加；

       (3)当VGS < VGS(off )时（ VGS(off )称为夹断电压），当VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID＝0。

N MOS工作状态

       (1)当 VGS < VGS(th) 时，截止区；

       (2)若VGS > VGS(th) 时， VDS < VGS- VGS(th)， 变阻区；

       (3)若VGS > VGS(th) 时， VDS > VGS- VGS(th)，饱和区(恒流区)。

 

     当MOS管 工作在变阻区内时，其沟道是“畅通”的，相当于一个导体。在 VDS < VGS- VGS(th)时近似满足V-I的线性关系，即有一个近似固定的阻值。此阻值受 VGS控制，故称变阻区域。

     MOS管 工作在饱和区（恒流区）与 BJT 的饱和区不同，称 MOS管此区为饱和区，主要表示 VDS 增加 ID 却几乎不再增加——也即电流饱和。其实在此饱和区内，MOS管 和 BJT 都处于受控恒流状态，故也称其为恒流区。

MOS管的寄生电容

    Mos管的漏、源、栅极间都有寄生电容，分别为Cds、Cgd、Cgs。

   Cds=Coss （输出电容）；

   Cgd+Cgs=Ciss (输入电容）；

MOS 管的开关过程

    下面以MOS管开关过程中栅极电荷特性图进行讲解，

      VTH：开启阀值电压;        VGP：米勒平台电压;

      VCC：驱动电路的电源电压;     VDD：MOSFET关断时D和S极间施加的电压 

MOS 管的开关过程

    t1阶段：当驱动开通脉冲加到MOSFET的G极和S极时，输入电容Ciss充电直到FET开启为止，开启时有Vgs=Vth，栅极电压达到Vth前，MOSFET一直处于关断状态，只有很小的电流流过MOSFET，Vds的电压Vdd保持不变。

   t2阶段：当Vgs到达Vth时，漏极开始流过电流ID，然后Vgs继续上升，ID也逐渐上升，Vds保持Vdd不变，当Vds到达米勒平台电压Vgp时， ID也上升到负载电流最大值ID，Vds的电压开始从Vdd下降。

    t3阶段：米勒平台期间，ID继续维持ID不变，Vds电压不断的降低，米勒平台结束时刻，iD电流仍维持ID，Vds电压降到—个较低的值。米勒平台的高度受负载电流的影响，负载电流越大，则ID到达此电流的时间就越长，从而导致更高的Vgp。

    t4阶段：米勒平台结束后， iD电流仍维持ID，Vds电压继续降低，但此时降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后稳定在Vds＝Id×Rds（on） ， 因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET基本上已经导通。所以为了减少开通损耗，一般要尽可能减少米勒平台的时间。

    t1和t2阶段，因为Cgs＞＞Cgd ，所以驱动电流主要是为Cgs充电（QGS）。t3阶段，因为Vds从Vdd开始下降，Cgd放电，米勒电流igd分流了绝大部分的驱动电流（QGD），使得MOSFET的栅极电压基本维持不变。t4阶段，驱动电流主要是为Cgs充电（Qs）。

       确认MOSFET类型   

     （1）常用的MOS管G D S三个引脚是固定的，不管是N沟道还是P沟道都一样，如下图所示，把芯片放正，从左到右分别为G极、D极、S极。（具体以FET SPEC为准）

     （2）借助FET的寄生二极管来辨别管子是N沟道还是P沟道。将万用表档位拨至二极管档，红表笔接S，黑表笔接D，有数值显示，反过来接无数值，说明是N沟道，若情况相反是P沟道。