MOSFET (金属-氧化物-半导体场效应管)

基本概念

MOSFET — 用电场控制电流的半导体器件，是现代数字电路和功率电子的基础元件。

       G (栅极)
       │
       │ ← SiO2 绝缘层
       │
┌──────┴───────┐
│    P型衬底    │
│   ┌──┐  ┌──┐ │
│   │N │  │N │  ← 两个N区: 源(Source) 和 漏(Drain)
│   └──┘  └──┘ │
│      ↓        │
│    沟道(Channel)
└───────────────┘
       │
       S (源极)

类型

工作原理 (N沟道增强型)

关断状态 (Vgs < Vth)

       G
       │
       │ ═══ (无电场，不形成沟道)
       │
┌──────┴──────┐
│    P型衬底   │
│   ┌──  ──┐  │
│   │     │  │  ← 无导电沟道
│   └──  ──┘  │
└─────────────┘

开启状态 (Vgs > Vth)

       G ─── +++ (电场吸引电子)
       │
       │ ═══════════════
       │ SiO2 绝缘层
       │ ═══════════════
┌──────┴──────┐
│    P型衬底   │
│   ┌──┐  ┌──┐│
│   │N │══│N ││ ← 电子聚集形成N型沟道
│   └──┘  └──┘│
└─────────────┘

电流形成 (Vds > 0)

• 沟道连接源极和漏极
• 电子从源→漏流动
• Id ∝ (Vgs - Vth) (饱和区)

四区特性

Id
│        ┌─ 饱和区 (电流恒定)
│       /
│      /
│     / ← 线性区 (可变电阻区)
│    /
│   /
│  /
│ /
└────────────────────── Vds
   │
   Vgs > Vth

1. 截止区 (Cutoff)

Vgs < Vth
Id = 0 (实际上有极小漏电流)

2. 线性区 (Linear / Ohmic)

Vgs > Vth, Vds < Vgs - Vth

Id = μn × Cox × (W/L) × [(Vgs - Vth) × Vds - Vds²/2]

特性: 类似于可变电阻

3. 饱和区 (Saturation)

Vgs > Vth, Vds > Vgs - Vth

Id = ½ × μn × Cox × (W/L) × (Vgs - Vth)²

特性: 电流恒定，器件起放大作用

4. 击穿区

Vds过大 → 击穿 → Id急剧增加

关键参数

寄生元件

       G
       │ Cgd
       ├──────┐
       │      │
    Cgs    ┌──┴──┐
   ┌─┴─┐    │     │
   │   │    │ Id  │
   └───┘    └──┬──┘
    │          │
   Body      Drain
    └──────────┘
         Rds(on)

寄生二极管

• Body和Source间存在寄生二极管
• 体二极管⁠: 在S-D间提供反向电流通路
• 高边开关时需注意

选型要点

1. Vds(max)

• 选择 > 2x 工作电压 (留余量)

2. Rds(on)

• 导通损耗 P = I² × Rds(on)
• 越小越好，但伴随更高Qg

3. Vth

• 逻辑电平匹配: 3.3V/5V系统选择低压Vth

4. Qg (栅极电荷)

• 影响开关速度
• 影响驱动损耗

5. 散热

• P = I²R 或 P = Vds × Id
• 需要散热片时检查热阻

驱动电路

基础驱动

  ┌─────┐
  │ GPIO│──┐
  └─────┘  │
           │ Rg (栅极电阻)
           │      ┌──┐
           └──────┤G │
                  └──┘
                 ┌─────────┐
                 │  MOSFET │
                 └─────────┘

为什么要栅极电阻?

• 限制充放电电流
• 消除振荡
• 控制开关速度 (EMI)

与BJT对比

关键词: MOSFET, Vgs, Vth, Rds(on), 饱和区, 线性区, 体二极管, N沟道, P沟道