MOSFET是什么？如何选择MOSFET？

金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor , MOSFET）凭借其通用性和广泛用途跻身于最受欢迎的晶体管之列。本指南将详述这类晶体管的工作机制，并提供关于使用和选择恰当MOSFET类型的实用建议。

主要的晶体管类型

晶体管主要有两种。一种是双极结型晶体管（BJT），另一种是场效应晶体管（FET）。MOSFET属于一种场效应晶体管。BJT通常用于1安培以下电流；MOSFET通常用于较大电流应用。

MOSFET有耗尽型和增强型两种。耗尽型的工作原理类似于闭合开关，加正电压则产生工作电流，加负电压以后工作电流停止。而增强型MOSFET是现代应用常用的一种类型。

什么是MOSFET？

金属-氧化物半导体场效应晶体管（简称MOSFET）是一种数字和模拟电路中通用的半导体，同时也是一种有用的功率器件。作为一种原始的紧凑型晶体管，MOSFET适用于广泛的电气应用。

一直以来，人们普遍认为如果没有MOSFET，21世纪许多的技术进步都无法实现。MOSFET用途较BJT更为广泛，原因在于它所需的负载电流控制电流很小。增强型MOSFET的电导率可在“常闭”状态下增加。通过栅极传输的电压可以使“常开”状态下的电导率降至最低。MOSFET的小型化过程相对简单，可有效缩小，用于紧凑型应用。

MOSFET的其他优势包括：快速切换（特别是关于数字信号）、最小功耗以及高密度电容，这一点使它成为大规模集成的理想应用。

MOSFET是集成电路的核心组件，凭借其小型化可在一个单芯片中完成设计制造。集成电路芯片上的MOSFET为四端元件，分别为源极（S）、栅极（G）、漏极（D）和基极（B）。基极通常与源级连接，从而使MOSFET发挥场效应晶体管功能。

MOSFET的工作原理和用途

MOSFET有三个极，分别是源极（S）、栅极（G）和漏极（D）。它们能有效控制源极和漏极触点之间的电流流动，通过栅极加电压。可通过改变电压使电通道出现或消失；相应地，也能使电气元件接通或关闭。使用半导体可使不同类的杂质隔离。这意味着携带不同信号的电荷可有效隔绝，形成障壁，阻止电荷的区域间流动。

电流从栅极到源极的传递将导致电流从漏极流向源极。当没有电流通过或通过电流较小时，漏极-源极电阻势必会很大。但应当明确，微控制器工作电压为5v或3.3v时，与微控制器配套的MOSFET可能需要10-15的栅极和源极电势差，以使漏极和源极之间电阻达到最低水平。

MOSFET栅极和源极之间的电容可防止不同状态间的迅速切换。内部电容上电压的快速变化需要大电流。它必须在变化（源极）和放电（槽）之间进行自动切换。栅极所加电压的改变会导致漏极和源极间电阻的同时改变。电压的高低将与电阻的大小直接相关。功率MOSFET针对大功率级应用设计。

MOSFET晶体管的不同类型

PMOS逻辑

如前所述，MOSFET的集成实现了相较于BJT的高电路效率。P通道MOSFET能够与PMOS逻辑一同实现数字电路和逻辑门。

NMOS逻辑

除了N通道MOSFET应用于逻辑门和相关数字电路之外，NMOS逻辑和PMOS逻辑类似。一般情况下，N通道MOSFET可能比P通道MOSFET更小型，从而在某些情况下更具吸引力。但NMOS逻辑有持续功耗，而PMOS逻辑没有。

CMOS逻辑

互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑是一种集成电路生产技术。此类电路广泛应用于各种电气组件，并能发电。P通道和N通道MOSFET均与互联的栅极和漏极联用，从而降低功耗，减少余热产生。

耗尽型MOSFET器件

耗尽型MOSFET器件在MOSFET器件中较不常见。耗尽型MOSFET器件通道电阻小，一般认为通道“开启”。当设定为无功耗状态时，这些开关将根据自身设计工作。通道电阻呈线性关系，在信号幅度范围内失真低。

MISFETs

所有MOSFET均属于MISFET（金属绝缘层半导体场效应晶体管），但并非所有的MISFET均属于MOSFET。这类组件内的门逻辑绝缘层为MOSFET中所用的二氧化硅，但也可能使用其他材料。门逻辑位于栅极下方，MISFET通道上方。

浮栅MOSFET（FGMOS）

浮栅MOSFET有一个额外的电绝缘浮栅。它能在直流电中生成一个浮动节点，同时在浮栅上方生成一系列辅助栅输入。在其众多用途中，FGMOS通常用作浮栅存储单元。

功率MOSFET

功率MOSFET为垂直结构，而非平面结构。这一结构使功率MOSFET能同时保持高阻塞电压和高电流。该晶体管的额定电压与N沟道外延层的掺杂和厚度直接相关，额定电流由通道宽度决定。组件区域和这类器件维持的电流大小间也有直接的联系。功率MOSFET具有低栅驱动功能、迅速的切换速度和先进的并联功能。

DMOS

功率MOSFET是双扩散金属氧化物半导体，有横向和纵向两种。大多数功率MOSFET利用该技术构造。

MOS电容器

这类电容器结构同MOSFET，且MOS电容器两侧有双P-N端。MOS电容器通常用作内存芯片存储电容器并为图像传感器技术中的电荷耦合元件（CCD）提供支持。

TFT

薄膜晶体管（TFT）是一种特殊的MOSFET。其中的不同之处在于薄膜晶体管（TFT）涉及半导体薄膜，以及逻辑层和金属触点在支撑基板上的沉积。使用的半导体材料各式各样，其中硅较为常用。它可以做到高透明度，用于生产视频显示面板。

双极MOS晶体管

BiCMOS是一种集BJT和CMOS晶体管于一个单芯片上的集成电路。绝缘栅双极晶体管（IGBT）功能类似于MOSFET和双极结型晶体管（BJT）。

MOS传感器

当前已成功研发出一系列MOS传感器，可精确测量物理、化学、生物和环境变量。开栅FET（OGFET）、离子敏场效应晶体管（ISFET）、气体传感器FET、电荷流动晶体管（CFT）及酶场效应晶体管等都属于MOS传感器。电荷耦合元件（CCD）和有源像素传感器（CMOS传感器）等常用于数字成像。

多栅极场效应晶体管

双栅MOSFET有四极管配置，电流大小由两个栅极控制。双栅MOSFET常用于射频应用中的小信号器件，降低与密勒效应相关的增益耗损。这一点当共源共栅配置中的单独晶体管更换时可实现。

RHBD

这种环形栅晶体管常用于制作抗辐射加固设计（RHBD）器件。MOSFET的栅极通常围绕着漏极。漏极靠近ELT的中心。如此，MOSFET的源极围绕栅极。H栅极是另一种类型的MOSFET，确保低辐射泄露。

MOSFET的应用和使用

如前所述，MOSFET是一种用于切换或放大电信号的器件。这些可通过改变电导率大小实现，而电导率大小的改变可通过改变施加电压的大小实现。

MOSFET是数字电路中使用较普遍的晶体管，在存储芯片或微处理器中可实现百万级的集成。此外，MOSFET晶体管还普遍用作压控电路开关。人们认为正是MOSFET的出现促成了一系列科技设备的研发，如袖珍计算器和数字腕表。

MOS集成电路

MOSFET是一类受欢迎的晶体管，也是集成电路芯片进行电气运行的基本元件。它不需要像双极晶体管那样通过一系列步骤来完成芯片上的P-N端隔离。相反，它们确实保证了相对容易的隔离。

CMOS电路

互补金属氧化物半导体（CMOS）是一种集成电路开发技术。该技术用于生产集成电路（IC）芯片，如微处理器、微控制器、存储芯片和其他数字逻辑电路。它还是开发模拟电路的基本组件。模拟电路包括图像传感器、数据转换器、射频电路以及用于数字通信的集成发射机。

CMOS的关键特性包括高抗干扰性及控制在最低水平的静态功耗。与其他的逻辑形式（如NMOS逻辑或晶体管-晶体管逻辑）相比，这类器件将产生最低的余热。这些特性使它具备集成高密度芯片逻辑的功能。

模拟开关

MOSFET用于数字电路集成的优势远超其用于模拟集成的优势。晶体管的行为在不同情况下均有差异。大多数时候数字电路可完全开启或关闭。速度和电荷是两个影响切换过程的主要因素。当微小电压变化可能改变输出（漏极）电流时，必须确保模拟电路过渡区的功能。

由于相关方面的优势，MOSFET仍集成于各类模拟电路。它的相关优势包括可靠性、零栅电流以及较高的可调输出阻抗。通过改变MOSFET的大小还可改变模拟电路的特性和性能。凭借其栅极电流（零）和漏极-源极偏移电压（零），MOSFET还是开关的理想之选。

电力电子设备

MOSFET应用于广泛的电力电子设备。可用于电池反接保护、交流电源间的切换电源以及无用负载的断电。紧凑型MOSFET的主要特性包括占用空间小、电流大以及集成ESD保护。此外，普遍认为MOS技术的开发是促成电信网络中网络带宽集成的主要原因之一。

MOS存储器

MOSFET的发展推动了MOS晶体管在存储单元存储中的便捷应用。MOS技术是DRAM（动态访问随机存储器）的重要组成部分。它性能优越、功耗极低，与磁心存储器相比相对实惠。

MOSFET传感器

MOSFET传感器又叫MOS传感器，常用于测量物理、化学、生物以及环境参数。此外，因其可实现化学、光和运动等元素交互及处理，MOSFET传感器还集成于微机电系统内。MOS技术还可应用于图像传感，可集成于电荷耦合元件和有源像素传感器。

量子物理学

量子场效应晶体管（QFET）和量子阱场效应晶体管（QWFET）均属MOSFET，它们利用量子隧穿效应加快晶体管的工作速度。通过移除导电区域电子可实现这一点，最终载流子速度显著减慢。此类量子器件的工作依赖于快速热处理（RTP）过程，使用非常精细的构建材料。

按安装类型区分的MOSFET

以下讲解了MOSFET的不同安装类型。

面板式安装MOSFET

有多种MOSFET都可用螺丝固定安装在金属板或散热器上。这些增强型MOSFET可实现大电流条件下快速可靠的切换。

PCB安装MOSFET

采用PCB安装设计的MOSFET使错误的熔断器无法安装。这种安装形式还有一个标签，防止意外误用。确保了熔断保护，防止电路受过电流影响。N通道MOSFET就采用了这种安装形式，有一个表面贴装和端接引线。提供带式和卷轴式MOSFET。可实现快速切换。

表面贴装式MOSFET

有多种MOSFET均采用表面贴装，可实现快速便捷的PCB组装。这些小巧的MOSFET既经济又可靠。N通道ON半导体MOSFET就采用了这种安装，有效将导通状态电阻降至最低，确保了可靠的切换。

插入式封装MOSFET

采用插入式封装的MOSFET的管脚穿过PCB的安装孔焊接在印刷电路板（PCB）上。与表面贴装式相比，插入式封装提供相对较强的金属键合。但这类型的MOSFET更适用于大而重的组件，如半导体。

我该如何选择MOSFET？

首先最重要的一点是必须根据使用目的选择恰当的N型或P型MOSFET。MOSFET的工作机制相当于一个电气开关。常规电力应用中的MOSFET接地，引线与干线电压连接。这种情况下认为它是一个低压侧开关，需要安装一个N通道MOSFET，必须满足器件开关所需的电压传输。当高压侧开关与总线连接，负载阻抗接地时，应当使用P型MOSFET。

必须考虑MOSFET电压。为确保充分的保护，防止MOSFET故障，MOSFET的电压应同时高于干线和总线电压。任何情况下，额定电流应为负载的最大容量。此外，还应考虑技术影响、热需求和切换性能。栅极参数必须与驱动电路相一致。总之，MOSFET的应用决定具体的选择。

常见问题

如何测试MOSFET的性能？

有多种评估MOSFET性能的测试方法。首先可检查二极管压降。这需要用到DMM，设定为二极管模式。根据待测MOSFET是N型还是P型，会需要不同的设置。理想的MOSFET值为0.4V~0.9V。但当不产生电压时，认为待测MOSFET有缺陷。还可通过测电阻来评估性能。不受DMM探针极性影响，漏极-源极间应产生较大电阻。

也可用数字万用表对MOSFET进行测试，步骤如下：

第1步：连接MOSFET

将MOSFET源极与万用表负极（-）导线连接。

第2步：握住MOSFET

握住MOSFET的标签或外壳，同时避免金属测试探头组件和端子接触。

第3步：连接万用表正极

将万用表正极引线与MOSFET栅极连接。

第4步：设置为漏极

将正极探头调整到“漏极”（你会看到读数很低）。

第5步：施加压力

当仪表为正时，在源极和栅极之间施加一点压力。确保栅极放电，仪表显示读数高。

如何给MOSFET接线？

MOSFET接线所需的组件有二极管、晶体管、电路板和接线（三色）。

接线步骤如下：

第1步：剥开电线

剥开为电路供电的电线皮。

第2步：插入固定

将线插入电路板。

第3步：连接电线

将供电电线插入器件，与电路板连接牢固。

第4步：连接二极管

将二极管连接到板上，并与其他电线连接。

第5步：连接晶体管

将晶体管连接至电路板。

第6步：切掉多余部分

小心切除多余部分并接线。

第7步：用万用表检查

使用万用表检查连接，并相应地对高压器件进行控制。

如何读取MOSFET上的数字？

为了确保订购合适的替换品，必须准确读取有缺陷MOSFET上的数字。这需要参考零件编号和标识图。

数字读取步骤如下：

第1步：确认MOSFET类型

确认其为增强型还是耗尽型MOSFET。

第2步：确认电压读数

从晶体管底部读取电压。

第3步：确认晶体管序列号

确认晶体管序列号（如BU系列晶体管的前两个字母为BU）。

为什么MOSFET是一种压控器件？

因为输出（漏极）电流可通过栅极-源极电压控制。输入端电压可有效控制电流流动，从而输出电流与输入电压直接成比例。

审核编辑 黄宇