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MOSFET电子元件工作原理和主要应用介绍

1585 2022-03-25 来源: IC先生 作者: IC先生

MOSFET,即金属氧化物半导体场效应晶体管,是半导体晶体管元器件中的一种,现已被广泛的应用。

众所周知,晶体管有多种形状、尺寸和设计,但基本上所有晶体管都属于两大家族,分别是双极结型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。BJT和FET之间有两个主要区别,第一个区别是,在BJT中,多数和少数电荷载流子都负责电流传导,而在FET中,仅涉及多数电荷载流子。

另一个非常重要的区别是,BJT本质上是一个电流控制器件,这意味着晶体管基极的电流决定了集电极和发射极之间流动的电流量。而在FET的情况下,栅极(FET中的一个端子相当于BJT中的基极)的电压决定了其他两个端子之间的电流。

FET可以再次分为两种类型,即结型场效应晶体管(JFET)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),本文将重点讨论MOSFET。

MOSFET的概念

金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 是一种FET晶体管。在这些晶体管中,栅极端子与载流通道电绝缘,因此也称为绝缘栅极FET (IG-FET)。由于栅极和源极之间的绝缘,MOSFET的输入电阻可能非常高,通常在1014欧姆左右。

与JFET一样,当没有电流流入栅极端子时,MOSFET也充当压控电阻器,即栅极端的小电压控制流过源极和漏极之间通道的电流。目前,MOSFET晶体管主要用于电子电路应用当中。

此外,MOSFET还具有三个端子,即漏极 (D)、源极 (S) 和栅极 (G),还有一个(可选)端子,称为衬底或主体 (B)。

需要注意的是,MOSFET也有两种类型,N沟道 (NMOS) 和P沟道 (PMOS)。MOSFET基本上分为两种形式,分别是耗尽型和增强型。

MOSFET的沟道结构

1、耗尽型

耗尽型MOSFET晶体管相当于一个“常闭”开关。耗尽型晶体管需要栅极 - 源极电压 (V GS ) 来关闭器件。

耗尽型MOSFET符号

N沟道和P沟道类型的MOSFET耗尽模式的符号如上图所示。在上述符号中,我们可以观察到第四个端子(基板)连接到地,但在分立 MOSFET 中,它连接到源极端子。连接在漏极和源极端子之间的连续粗线代表耗尽型。箭头符号表示通道的类型,例如N通道或P通道。

在这种类型的MOSFET中,在栅极端子下方沉积了一层薄薄的硅。耗尽型MOSFET晶体管通常在零栅源电压 (VGS) 时导通,与增强型MOSFET相比,耗尽型MOSFET中沟道的电导率较低。

2、增强类型

增强模式MOSFET相当于“常开”开关,这些类型的晶体管需要栅源电压来开启器件。N沟道和P沟道增强型MOSFET的符号如下所示。

增强模式-MOSFET符号

在这里可以观察到源极和漏极之间有一条虚线连接,代表增强模式类型。在增强型MOSFET中,电导率通过增加氧化物层来增加,从而将载流子添加到沟道中。

通常,该氧化层称为“反转层”。沟道在漏极和源极之间形成与衬底相反的类型,例如N沟道由P型衬底制成,P沟道由N型衬底制成。由电子或空穴引起的沟道电导率分别取决于N型或P型沟道。

MOSFET原理和特性

MOSFET的基本结构如下图所示,与JFET的结构相比,MOSFET的结构非常不同。在MOSFET的增强和耗尽模式中,栅极电压会产生电场,这会改变流动的电荷载流子,例如N沟道的电子和P沟道的空穴。

在这里可以观察到栅极端子位于薄金属氧化物绝缘层的顶部,并且在漏极和源极端子下方使用了两个N型区域。

MOSFET的基本结构

另外,在上述MOSFET结构中,漏极和源极之间的沟道为N型,与P型衬底相对形成。对于正 (+ve) 或负 (-ve) 的极性,很容易偏置MOSFET栅极端子。

如果栅极端没有偏置,则MOSFET一般处于非导通状态,因此这些MOSFET用于制作开关和逻辑门。MOSFET的耗尽型和增强型均适用于N沟道和P沟道类型。

1、耗尽模式

耗尽型MOSFET通常被称为“开关导通”器件,因为这些晶体管通常在栅极端子没有偏置电压时关闭。如果栅极电压增加为正,则沟道宽度在耗尽模式下增加。

结果通过沟道的漏极电流ID增加。如果施加的栅极电压更负,则沟道宽度非常小,MOSFET可能进入截止区。耗尽型MOSFET是电子电路中很少使用的晶体管类型。

下图显示了耗尽型MOSFET的特性曲线。

耗尽型MOSFET的特性曲线

以上给出了耗尽型MOSFET晶体管的VI特性。该特性主要给出了漏源电压(V DS)和漏电流(I D)之间的关系。栅极处的小电压控制流过通道的电流。

电流耗尽型MOSFET

漏极和源极之间的沟道充当良导体,在栅极端子处具有零偏置电压。如果栅极电压为正,则沟道宽度和漏极电流增加,如果栅极电压为负,则这两者(沟道宽度和漏极电流)减小。

2、增强模式

增强型MOSFET是常用的晶体管类型,这种类型的MOSFET相当于常开开关,因为它在栅极电压为零时不导通。如果将正电压(+V GS)施加到N沟道栅极端,则沟道导通,漏极电流流过沟道。

如果该偏置电压增加到更正,则通道宽度和通过通道的漏极电流会增加更多。但是,如果偏置电压为零或负(-V GS),则晶体管可能会关闭并且通道处于非导通状态。所以现在可以说增强型MOSFET的栅极电压增强了沟道。

增强型MOSFET的特性

增强型 MOSFET 晶体管主要用作电子电路中的开关,因为它们具有低导通电阻和高截止电阻以及高栅极电阻。这些晶体管用于制造逻辑门和电源开关电路,例如具有NMOS和PMOS晶体管的CMOS门。

增强型MOSFET的VI特性如上图所示,给出了漏极电流 (ID) 和漏源电压 (VDS) 之间的关系。从上图中可以观察了增强型 MOSFET 在不同区域(例如欧姆区、饱和区和截止区)的行为。

电流增强型MOSFET

MOSFET晶体管由不同的半导体材料制成。这些MOSFET 能够在导电和非导电模式下工作,具体取决于输入端的偏置电压,MOSFET的这种能力使其可用于开关和放大。

N沟道MOSFET放大器

与BJT相比,MOSFET的跨导非常低,这意味着电压增益不会很大。因此,MOSFET通常不用于放大器电路。

但是,如果在使用了N沟道增强型MOSFET的单级“A 类”放大器电路中,具有共源极配置的N沟道增强型MOSFET是主要使用的放大器电路类型。而耗尽型MOSFET放大器与JFET放大器非常相似。

MOSFET的输入电阻由输入电阻产生的栅极偏置电阻控制。该放大器电路的输出信号是反相的,因为当栅极电压 (V G ) 高时晶体管导通,而当电压 (V G ) 低时晶体管截止。

N沟道MOSFET放大器电路

上图显示了具有共源配置的通用MOSFET 放大器。这是A类模式的放大器。这里的分压器网络由输入电阻R1和R2形成,交流信号的输入电阻为Rin=RG=1MΩ。

下面给出了计算上述放大器电路的栅极电压和漏极电流的公式。

V G = (R 2 / (R 1 + R 2 ))*VDD 

I D = V S / R S 

释义:

V G=栅极电压

V S=输入源电压

V DD=漏极电源电压

R S=源电阻

R 1 & R 2=输入电阻

下面简单介绍下MOSFET在其总体运行中运行的不同区域。

截止区:如果栅源电压小于阈值电压,那么可以说晶体管工作在截止区(即完全关闭)。在该区域中,漏极电流为零,晶体管作为开路。

V GS < V TH => I DS = 0 

欧姆(线性)区域:如果栅极电压大于阈值电压并且漏源电压位于VTH和 (VGS – VTH) 之间,则可以说晶体管处于线性区域,在此状态下晶体管充当变量电阻器。

V GS > V TH和 V TH < V DS < (V GS VGS – V TH ) => MOSFET用作可变电阻器 

饱和区:在这个区域,栅极电压远大于阈值电压,漏极电流处于最大值,晶体管处于完全导通状态。在该区域中,晶体管充当闭合电路。

V GS >> V TH和 (V GS – V TH ) < V DS < 2(V GS – V TH ) => I DS=最大值 

晶体管导通并开始电流流过沟道的栅极电压称为阈值电压。N沟道器件的阈值电压值范围在0.5V到0.7V之间,而P沟道器件的阈值电压值范围在-0.5V到-0.8V之间。

MOSFET的主要应用

  • MOSFE用于数字集成电路,例如微处理器。
  • 用于计算器。
  • 用于存储器和逻辑CMOS门。
  • 用作模拟开关。
  • 用作放大器。
  • 用于电力电子和开关模式电源的应用。
  • 在无线电系统中用作振荡器。
  • 用于汽车音响系统和扩声系统。

结论

以上简单介绍了有关MOSFET电子元件的基础知识,主要包括MOSFET的结构、不同类型的MOSFET、电路符号、工作原理、使用MOSFET控LED的示例电路以及一些应用领域,内容仅供参考。

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MOSFET电子元件工作原理和主要应用介绍


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