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MOSFET：定義，工作原理和選擇
2024-04-28 29319

MOSFET或金屬氧化物半導體磁場效應晶體管是電力電子中重要的動力開關設備。它從另一個常見設備的雙極交界晶體管（BJT）中脫穎而出，尤其是在處理高功率負載方面。為了了解MOSFET如何提高性能，首先了解BJT的操作基礎是有用的。BJT控制著少量電荷載體（電子或孔）的流動，以管理其收集器和發射極越大的電流流量。雖然在各種環境中有效，但由於效率損失和對熱量的敏感性，BJT在高功率方案中跌倒。相比之下，MOSFET使用現場效應進行電流控制，從而大大降低了功率損耗。對MOSFET的靜態和動態特性的更深入了解，以及它們對不同電壓和當前條件的反應，有助於設計穩定且可靠的電路。

什麼是MOSFET？

MOSFET或金屬氧化物半導體場效應晶體管，通過解決諸如高排水阻力，中度輸入阻抗和較慢的操作等問題，從而顯著提高了基本場效應晶體管（FET）的性能。MOSFET作為傳統FET的進化版本開發，也稱為絕緣門場效應晶體管（IGFET）。

MOSFET的核心是其獨特的金屬氧化物門電極，它使其與常規FET區分開。該柵極電極通過由二氧化矽或類似材料製成的薄絕緣層與主半導體主體分離。這種絕緣是不可替代的，因為它通常在MegaOhm範圍（MΩ）中使MOSFET具有很高的輸入電阻。高電阻對於MOSFET的電壓控制的操作至關重要，在該操作中，對柵極電壓的調整直接影響排水管和源之間流動的電流。操作MOSFET涉及在門上施加電壓。一旦該電壓超過特定的閾值，它就會在絕緣層上產生一個電場。該磁場是調節半導體中電荷載體的原因，從而控制了從排水口到源的電流流量。對該流量的精確控制使MOSFET甚至在低功率下也可以有效地調節電流，從而使其非常適合需要高功率和高頻的應用。

MOSFET對傳統FET進行了幾種改進，包括更快的切換時間，減少洩漏電流以及以較高頻率運行的能力。這些增強就是為什麼MOSFET在當代電子設備和系統中如此普遍的原因。它們在涉及功率放大，信號處理和電源管理的角色中特別有價值。這種廣泛的用法強調了MOSFET在推進現代電子產品方面的關鍵組成部分。

MOSFET的象徵

MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）通常具有四個末端：排水量（D），源（S），Gate（G）和身體（B），也稱為基板或底板。但是，在大多數應用中，身體端子內部連接到源，有效地使MOSFET成為三端設備。這種配置簡化了其在各種電子電路中的使用。

圖2：MOSFET的符號

MOSFET的圖形符號明顯代表了兩種類型：N通道和P通道。對於N通道MOSFET，該符號在門處包括一個向內的箭頭，該箭頭表示將正電壓應用於源相對於源源的源啟用。相反，P通道MOSFET符號具有外向箭頭，表明正電壓打開了設備，但與N通道相比，該電壓朝著相反的方向。這些符號是工程師和技術人員識別MOSFET類型並確保在電路設計中進行適當實現的重要參考。

圖3：IRF9540N

圖4：針布

MOSFET的一個常見包裝是TO-220。以IRF9540N MOSFET為例，此包裝格式通常將柵極銷位置在中心，側面是排水管和源銷。但是，必須認識到製造商之間的PIN佈置可能會有所不同。因此，在將MOSFET集成到電路之前，請務必驗證數據表的引腳配置。對於IRF9540N，這不僅是正確的，而且是其他經常使用的MOSFET，例如IRFZ44N，BS170，IRF520和2N7000。諮詢特定的數據表或規格表對於避免連接不正確，這可能導致電路故障或次優性能。

MOSFET的分類

MOSFET或金屬氧化物半導體場效應晶體管根據其操作方式分為兩種主要類型：增強模式MOSFET（E-MOSFET）和DEPTETION模式MOSFET（D-MOSFET）。根據所使用的半導體材料，每種類型進一步分為N通道和P通道，導致四種不同的MOSFET類別：

N通道耗竭MOSFET

P通道耗竭MOSFET

N通道增強MOSFET

P通道增強MOSFET

圖5：四種不同類型的MOSFET

對於N通道MOSFET（NMOS），電子的流動主要帶有電流，這就是為什麼它們被稱為“ N通道”的原因。相反，P通道MOSFET（PMO）依靠孔的運動來流動，因此名稱為“ P通道”。

MOSFET的內部結構在兩種模式之間變化。在耗盡模式的MOSFET中，柵極，排水和源是物理連接的，即使沒有門電壓，電流也可以流動。此模式通常允許設備默認進行操作，並需要特定的門電壓關閉。

另一方面，增強模式MOSFET需要物理分離的柵極，排水和源，這意味著它們需要正柵極電壓才能開始進行。這些MOSFET一直保持關閉，直到達到此電壓閾值為止，這就是為什麼它們通常用於僅在某些條件下激活開關的應用中使用它們的原因。其中最常用的類型是N通道增強模式MOSFET。它與p通道的不同之處在於，只要施加了柵極電壓，n通道MOSFET就保持在上面，而p通道類型則保持不變，直到施加柵極電壓為止。

Four Symbols of Different Types of MOSFETs

圖6：不同類型的MOSFET的四個符號

雖然增強模式MOSFET（E-MOSFET）必須始終具有高於一定閾值的正門電壓，但耗盡模式MOSFET（D-MOSFET）可以用正或負柵極電壓發揮作用，並且不會完全關閉離開。D-MOSFET可以在增強和耗盡模式下運行，提供靈活性，而E-MOSFET僅限於增強模式。

MOSFET的結構

儘管共享相同的三端構型，但MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）的內部結構代表了常規場效應晶體管（FET）的高級版本。在檢查MOSFET時，您會注意到幾個關鍵的結構特徵。

在MOSFET的核心上，柵極端子連接到薄金屬層上。該金屬層位於上方，這是至關重要的，並且由二氧化矽薄層（SIO2）與半導體的其餘部分絕緣。這種絕緣是至關重要的，因為它可以防止柵極和半導體主體之間的任何直接電連接，從而使柵極能夠以最小的功率損耗來控制設備。該柵極層是由半導體體內N型半導體材料製成的兩個區域。這些區域與排水和源端子保持一致，並形成所謂的通道。當MOSFET運行時，該通道用於從源到排水管的電子流。

與通道相比，底物是由P型材料製成的，完成了MOSFET的基本結構。N型和P型材料的這種組合不僅是MOSFET運行的基礎，而且還使該設備能夠處理正或負偏置電壓，從而增強了其在不同應用中的多功能性。實際上，當不向門上施加電壓時，MOSFET仍無導電性。該特徵對於需要精確控制電流流量的應用尤其有利，例如電子開關和邏輯門。MOSFET保持惰性直到激活的能力使其成為數字和模擬電路設計中不可或缺的組成部分，在這種情況下，狀態突然的變化可以有效地觸發或停止各種功能。

圖7：MOSFET的內部結構

MOSFET的工作原理

MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）主要用作開關，管理電壓和電流端子之間的電流。它採用位於氧化物層下方的MOS電容器的特性，該層連接了這兩個末端。在MOSFET內部，MOS電容器是關鍵。當沒有向門上施加電壓時，晶體管將保持關閉，從而阻止了電流。這使MOSFET成為開關和邏輯門等應用的有效組件，而按需激活很重要。

圖8：MOSFET的工作原理

以兩種模式運行

圖9：MOSFET在耗竭模式下操作

耗竭模式：最初，MOSFET自然進行（開放）。通過在P型底物中添加由N型半導體區域形成的通道來擴大柵極的正電壓，從而增強了這種傳導。該較寬的通道允許更多的電子流動，增加電流（排水電流，ID）。相反，負門電壓縮小了通道，減少了流量並可能阻止其停止，將MOSFET帶到了非導電（截止）狀態。

增強模式：在這裡，MOSFET以非導向開始。應用超過閾值電壓（VTH）的正門源電壓（VGS）激活設備。該電壓誘導足夠數量的電荷載體（電子）形成導電通道。VGS越大，載體積聚的越多，增強了通道的電導率，從而增強了電流流量。

將MOSFET集成到電路中時，必須考慮其模式（排泄或增強），並相應地施加電壓。例如，將正電壓連接到增強模式N通道MOSFET的門導致電子的積累並啟動電導率。在電路中，需要注意電壓精度，太高會超越MOSFET，而太低可能根本不會打開它。觀察相對於柵極電壓的流動流的變化提供了MOSFET的操作狀態的直接反饋，並有助於微調系統以獲得所需的電氣性能。

特徵曲線和操作區域

圖10：耗盡模式MOSFET特徵

歐姆地區：MOSFET的行為幾乎像電阻器。在這裡，該設備允許電流隨著電壓的增加而增加，但仍取決於門電壓足夠正。

飽和區域：一旦排水源電壓（VDS）達到完全激活通道的水平，MOSFET就會進入飽和。在這種狀態下，漏極電流穩定，並不會隨著VD的進一步升高而增加，這表示當前門電壓下的最大電導率。

截止區域：如果柵極電壓降至閾值以下，或VD超過操作限制，則MOSFET停止進行導電，從而有效地關閉電流流量。設備的電阻變得很高，幾乎是無限的。

圖11：增強模式MOSFET功能

MOSFET的應用 - 開關

MOSFET通常用作電子電路中的開關，以控制燈和電動機等電荷。通過操縱門電壓（VGS）來執行此功能，該電壓直接影響電流是否流過負載。

圖12：MOSFET作為開關設備

在基本的開關電路中，正柵極電壓打開了MOSFET，使電流通過，連接的負載（例如光線或電動機）可以運行。相反，當門電壓為零或負數時，MOSFET會關閉，停止電流流動並停用負載。為了確保MOSFET在不積極參與時保持脫落，通常在門和地面之間集成下拉電阻（R1）。該電阻有助於排出門上的任何殘留電荷，在不存在輸入電壓時將MOSFET牢固地置於其關閉狀態。R1的電阻值通常從幾公斤到數十千 - 歐姆，具體取決於電路的特定需求。

對於更細微的控制，例如調整電動機速度或調光燈，使用脈衝寬度調製（PWM）信號。這些信號迅速打開和關閉MOSFET，以控制輸送到負載的有效功率。但是，快速切換會激發柵極電容，可能導致不必要的反向電流。為了抵消這一點，將電流電容器（C1）放置在門和源之間。該電容器有助於減輕這些反電流的影響，通常被選為幾百個picofarads到幾個納米。在負載是電感的情況下（例如電動機或電感器），由於電感特性產生的反電流的潛力，需要特殊考慮。當驅動負載的電壓突然切斷時，這些電流會發生，從而導致背部電動力。為了保護MOSFET免受這些反向電壓的潛在損壞，將保護元件（例如反向電壓抑制二極管（freewheeling Diodes）或其他電容器）添加到電路中。

在設計和實施這些電路時，實際步驟涉及根據負載特性和所需的控制動力學選擇適當的電阻和電容器值。工程師需要仔細平衡響應能力與穩定性和保護，以確保可靠和高效的操作。

MOSFET包裝

MOSFET包裝在影響設備的功率處理，熱管理和物理安裝功能方面發揮了作用。

圖13：四種不同的軟件包類型的MOSFET

表面貼裝

這些軟件包是為高密度打印電路板（PCB）佈局而設計的，並以其有效的熱管理而聞名。常見類型包括TO-263，TO-252，MO-187，SO-8，SOT-223，SOT-23和TSOP-6。它們通常是用於空間高度且功率要求的應用程序中適度的應用，例如在移動設備，通信設備和消費電子產品中。表面安裝技術可在PCB上更加輕鬆，更快，從而提高生產效率。

圖14：MOSFET表面安裝座

整孔

對於需要更高功率和當前處理能力以及強大的機械支持和增強散熱的應用，這種包裝類型是首選。經常在工業設備，電力系統和汽車電子設備中發現標準的通行套件，例如TO-262，TO-251，TO-274，TO-220和TO-247。將整孔包裝的線索插入PCB上的鑽孔中，然後焊接，提供牢固的機械鍵和更好的熱連接以供熱逃逸，這是高功率應用的理想選擇。

圖15：MOSFET穿過孔

pqfn（塑料四圓形無鉛）

PQFN軟件包提供了緊湊的足跡，具有成本效益，使其非常適合PCB空間有限但需要高功率密度的情況。尺寸各不相同，包括PQFN 2X2，PQFN 3X3，PQFN 3.3x3.3，PQFN 5X4和PQFN 5x6。應用程序通常包括便攜式設備，無線通信系統，工業控制，LED照明等。

圖16：MOSFET PQFN

DirectFet

DirectFet包裝以其低電阻性和低電感性而聞名，非常適合高功率和高頻應用。諸如DirectFet M4，DirectFet MA，DirectFet MD，DirectFet ME，DirectFet S1和DirectFet SH之類的變體經常用於功率轉換器，電動機驅動器和其他高性能係統中，其中最小化切換損耗和最大化效率很重要。DirectFet設計與散熱器良好，進一步協助熱管理。

圖17：MOSFET DirectFet

選擇適當的MOSFET包裝涉及考慮操作環境，所需的功率和熱管理，物理空間限制和特定的應用需求。例如，在壓縮尺寸和低功率的消費電子產品中，一個小型的表面安裝套件可能是理想的選擇。相比之下，處理更高功率並需要更健壯的系統的工業或汽車設置可能會從整孔或直接裝備中受益更多。每種包裝類型都提供獨特的好處，應仔細匹配應用程序的要求，以確保最佳性能和耐用性。

MOSFET選擇步驟

為您的應用選擇合適的MOSFET涉及一些關鍵步驟，以影響設備對設計的性能和適用性。這是您可以處理此選擇過程的方法。

選擇N通道或P通道

首先確定N通道或P通道MOSFET是否最適合您的設計。如果您要設置一個低側開關，該開關將MOSFET連接到地面並將負載連接到電壓電壓，則通常優選N通道MOSFET，因為它需要較低的電壓才能激活。相反，在高側開關設置中，MOSFET連接到電源總線並將負載連接到地面時，通常會選擇P通道MOSFET以進行類似的電壓考慮。這裡的關鍵是了解打開和關閉MOSFET所需的電壓以及如何集成到您的設計中。下一步涉及檢查MOSFET可以處理的最大電壓（VDS）。該電壓應高於系統的最大值，以確保防止意外尖峰的安全性。設計人員必須考慮在各種溫度上的評級，因為MOSFET性能會隨溫度變化而變化。

確定額定電流

下一階段是選擇一個可以處理應用程序所需的最大電流的MOSFET。這不僅涉及考慮常規流動流，而且還要考慮電流的潛在尖峰。這可能是連續的操作或脈衝。確保MOSFET可以管理這些需求涉及檢查其當前的等級及其傳導損失，這是因為MOSFET在打開時的作用類似於電阻。

確定熱需求

首先使用最壞的情況來建立安全的邊距。MOSFET數據表上的關鍵數字（例如熱電阻和最大連接溫度）有助於這些計算。您將計算最大功率耗散，該功率耗散由連接溫度方程式確定：最大環境溫度以及熱電阻和功率耗散的乘積。該計算將指導系統設計以避免過熱，這可能導致設備故障。

確定開關性能

最後，評估開關性能，這受到門，排水和源電容等因素的影響。每次MOSFET開關都會影響速度和效率時，這些電容器會造成損失。MOSFET技術（例如SuperFet）的進步旨在通過減少RD（ON）和GATE充電，從而提高傳導效率和開關性能，從而優化這些因素。

結論

MOSFET脫穎而出，是高效的電動開關設備，比傳統的BJT具有顯著優勢，尤其是在高功率和高頻應用中。他們的操作機制利用電場而不是載體注入來控制電流流量，可以更快地開關速度和降低功率損耗。MOSFET有各種類型的MOSFET，例如增強模式和耗竭模式，以及N通道和P通道選項。這種多樣性為設計師提供了靈活性，可以根據特定的應用需求量身定制其選擇，尤其是在需要強大的電壓和當前處理的情況下，以及有效的熱管理和切換性能。

在選擇MOSFET時，不僅要考慮最大的排水源電壓（VD），排水電流（ID）和抵抗力（RDS（ON））等基本參數至關重要，還至關重要。其中包括MOSFET的包裝，散熱功能和門充電，所有這些都有助於最終設計的可靠性和效率。技術的進步繼續提高MOSFET性能。諸如SuperFet之類的創新正在優化內部結構和製造過程，提高設備性能，降低尺寸並最大程度地減少開關損失。這些改進使MOSFET能夠在較高的頻率和更苛刻的環境中運行，從而擴大了其應用範圍。

常見問題[常見問題]

1. MOSFET是用什麼？

MOSFET主要用作開關設備或各種電子電路中的放大器。這包括電源，計算機主板和電動機控制器，這些電源有效控制電源流並放大信號。

2.哪個更好，FET或MOSFET？

通常，MOSFET被認為比傳統FET更好，因為它們具有較高的效率，更高的電子應用可擴展性以及更快的切換時間。MOSFET在技術處理和縮小技術方面還提供了更好的性能。

3. MOSFET的工作原理是什麼？

MOSFET通過利用施加到其柵極端子的電壓創建的電場來控制其源和排水端子之間的電流流量。該柵極電壓會改變源和排水之間的半導體通道的電導率，從而允許或阻斷電流的流動。

4. MOSFET的優勢是什麼？

高輸入阻抗，最大程度地減少從駕駛電路中抽出的電流。

低功耗，在功率敏感應用中特別有用。

快速開關速度，在高頻應用中提高性能。

良好的熱穩定性，使其適合各種操作條件。

5.是什麼導致MOSFET失敗？

由於幾個因素，MOSFET可能會失敗：

過熱是由過度耗能引起的。

過電壓，可以超過MOSFET的電壓額定值並損壞它。

處理過程中的靜電排放（ESD）可以破壞氧化柵極。

不正確的驅動電壓（過高或太低）會導致切換不完整，隨後過熱。

反向極性應用，尤其是對於門，也可能導致故障。

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MOSFET的結構