硬件电路(16)-场效应晶体管-MOSFET

 一、概述       

        场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写（FET））简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（10^7~10^12Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。

二、 定义：绝缘栅场效应管MOS-FET

MOS-FET是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属—氧化物—半导体场效应管，简称MOS场效应管。

三、分类

绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。

按照场效应管的工作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型；当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅极电压之后才有漏极电流的称为增强型。耗尽型MOSFET主要用于高频放大的领域。对于开关电源及功率变换电源只用到增强型MOSFET而不会使用耗尽型MOSFET。

在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的 MOS 管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。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。

四、工作原理

        以N沟道增强型MOS场效应管它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

 五、参数

1、低频跨导gm

        在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导。gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是表征MOS管放大能力的一个重要参数；一般在十分之几至几mA/V的范围内。

2、极间电容

        三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。CGS和CGD约为1～3pF；CDS约在0.1～1pF之间。

3、低频噪声系数NF

        噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的，由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化。噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）。这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小。低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数。场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小。

六、应用

1、开关电路

MOSFET做开关用时是工作在哪个区

        MOSFET 和 BJT 的工作区域的命名有所不同。BJT 中的截止，放大和饱和区相对于 MOSFET 为截止，饱和，变阻区。MOSFET有个参数Vt——开启电压。当 Vgs < Vt 时，MOSFET处于截止状态，即截止区。当 Vgs > Vt 且 Vds > Vgs - Vt 时，为饱和区。当 Vgs > Vt 且 Vds < Vgs - Vt 时，MOSFET处在变阻区。

        如果忽略沟道的长度调制效应，MOSFET的饱和区就是相当于受控恒流源。通常用其作为放大区域使用（类比BJT的放大区）。MOSFET的变阻区相当于一个受Vgs控制的变阻器，当Vgs增大时沟道电阻变小。通常功率 MOSFET 的 Rds 可以降到非常之小，以便流过较大的电流。利用 MOSFET 截止区和变阻区的特性，就可以将 MOSFET 应用于 逻辑或功率开关。

MOSFET的米勒效应

下面是MOSFET理想工作时的波形：

下面是MOSFET实际工作时的波形：

一开始，Ugs对Cgs充电，当Ugs上升到t1时刻，即达到Uth ( 4V ) 电压时，MOS管开启，Id增加，当到达t2时，Id上升到最大值，注意此时MOS管还未完全导通，是因为Ugs还没到达最大值。Id保持不变，由于米勒效应，此时Ugs通过Cgd,D脚，S脚到地。对米勒电容Cgd进行充电，米勒效应引起了MOS管的转移特性，所谓转移特性就是Id使得Ugs也要保持不变。这个时间段也叫做平台电压。这个平台电压阶段，由于MOS管还未完全导通，所以MOS管功耗很大，发热历害，也就是说米勒电容引起MOS管损耗大。这是很危险的，容易炸管！！！当到达t3时刻时，Ugs继续往上升，此时米勒电容没有了，转移特性消失。可以理解为这个时段，米勒电容充电充满了。下降沿的分析与上升沿是一样的。所以要求平台电压越短越好！缩短平台电压的两个方法：

1、驱动电压要尽可能高。

2、驱动电流要尽可能大，加快充电速度。驱动电源的内阻要小，驱动电流才大。放电内阻也要小。