干貨 | MOSFET開關：電源變換器基礎知識及應用

芻狗

MOSFET的工作原理

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 是一種場效應晶體管 (FET) 電子器件。它可以充當壓控電流源，并主要用作開關或用于放大電信號。MOSFET的控制是通過向柵極施加特定的電壓來進行的。當MOSFET導通時，電流通過在 體區（稱為bulk或body）中形成的溝道，從MOSFET的漏極流向源極。大多數情況下，MOSFET的 體區與源極連接，這也是為什么MOSFET通常被稱為3引腳器件的原因。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖1: MOSFET

P溝道MOSFET與N溝道MOSFET

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]MOSFET是一種半導體器件，主要采用P型或N型硅制造。這兩種硅類型之間的區別在于摻雜離子中存儲的電荷。摻雜離子為帶電粒子，注入硅中以產生電荷不穩定性，使元件可用于 導電用途。如果硅區域中摻雜了具有五價電子（元素周期表中的第V族）的離子，那么就會有一個額外的電子被釋放到半導體中，因此電荷總體為負（N 型）。它們貢獻了一個電子，因此硅中的這些雜質被稱為施體雜質。另一方面，在價帶中具有三個電子的元素將缺少一個電子，這相當于貢獻了一個空穴，意味著總電荷為正（P型）。這些雜質被稱為受體雜質。圖2顯示了P型和N型半導體摻雜物的差異，以及它們對硅結構的影響。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖2: 摻雜物-施體或受體雜質

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]最簡單的 MOSFET 結構由一個襯底（可以是P型或者N型）和兩個與 體區極性相反的硅區域組成，它們構成了漏極和源極（見圖3）。MOSFET可以構建為具有P型襯底和N型漏極與源極區域，這意味著，要使電流從漏極流向源極，溝道也必須為N型。這種結構被稱為N溝道MOSFET，或NMOS晶體管。反之，如果襯底為N型，則溝道為P型，稱為P溝道MOSFET，或PMOS晶體管。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖3: MOSFET結構

增強型MOSFET和耗盡型MOSFET

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]MOSFET的名稱來源于控制它們的結構。其柵極引腳連接到導電電極，而導電電極通過二氧化硅層或另一種絕緣材料與襯底隔開。因此，當向柵極施加電壓時，金屬柵極會產生電場，并通過氧化層傳遞到硅襯底（金屬-氧化物-半導體）。電場會對襯底半導體中的自由電荷載流子（例如空穴或電子）產生影響，并將它們拉近至柵極以形成溝道，或將它們推開以破壞溝道。買元器件現貨上唯樣商城！

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]當電場施加到半導體上時，它會作用于器件的自由電荷載流子。均勻分布在整個半導體中的自由電子會被吸引到電場的入口點（對具有正柵極電壓的MOSFET而言，該入口點為柵極）。而空穴將被拖向與電子相反的電場方向（見圖 4）， 這稱為載流子漂移，邏輯上它會改變半導體內的電荷濃度分布。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖4: 半導體中的載流子漂移

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]MOSFET的主要目的是控制漏極與源極之間的溝道形成，它通過將正確的載流子集中在最靠近柵極的區域來形成或者破壞溝道。因此，MOSFET又可以分為兩個基本組別：耗盡型MOSFET和增強型MOSFET。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]耗盡型MOSFET具有一個預生成的溝道（見圖 5）。當電壓施加到柵極時，電場將溝道中的載流子推出并耗盡。因此，耗盡型 MOSFET 可以等同于常閉合開關。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]而增強型MOSFET中的溝道僅在施加柵極電壓時才形成，而且會吸引電荷并增強溝道區。這種MOSFET可視為常開路開關，在電子應用中最為常見。因為如果斷電，開關關閉，電流將停止在電路中流動，從而避免了不受控的操作，并提高了電路安全性。本文以下的內容將僅涉及增強型N溝道MOSFET。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖5: 耗盡型MOSFET

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖6: 增強型MOSFET

MOSFET的工作區

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]基于以上解釋，可以明顯看出，MOSFET工作中最重要的一個因素是施加到柵極上的電壓。事實上，MOSFET 的工作是由 MOSFET柵極和源極之間的電壓（VGS）定義的。圖7顯示了VGS 如何影響流過MOSFET的電流。在增強型N溝道 MOSFET中，當柵極和源極之間沒有施加電壓時，溝道就不存在。這個工作區被稱為截止區；當晶體管處于此工作區時，沒有電流從漏極流向源極，這意味著MOSFET的行為就如同一個開路開關。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]隨著柵極電壓的增加，溝道開始形成，但直到達到某個電壓水平（稱為閾值電壓），漏極和源極之間才會導通。一旦達到閾值電壓，電流就開始流過MOSFET。該區域被稱為飽和區，此時MOSFET相當于一個壓控電流源。隨著柵極電壓增加，流過開關的電流也會增加。飽和區主要用于信號放大，因為柵極中微小的電壓變化都會導致輸出電流的較大變化（見圖 7）。最后輸出的電流可以用來改變電阻器兩端的電壓，這也是共源放大器的基本工作原理。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖7: 漏電流和柵極電壓

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]隨著柵極電壓的不斷增加，溝道也會增強。在飽和區時，溝道還沒有完全連接漏源區，因此漏極和源極之間的電壓對操作沒有太大的影響。然而，一旦溝道增強到足以連接漏極和源極（此時的電壓稱為夾斷電壓，它是飽和區的上限），MOSFET溝道就完全增強，晶體管表現為完全閉合的開關。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]從此時開始，由于漏極與源極之間存在電壓損耗，MOSFET可以被視為一個電阻（RDS(ON)）。這個新的工作區被稱為歐姆區或線性區，在此區域，MOSFET上的電流增加，并與施加在MOSFET漏極和源極之間的電壓成線性比例，當然，它仍然受到柵源電壓的限制（見圖 8）。