N沟道MOSFET的作用_工作原理_应用特性

众所周知，MOSFET是晶体管的一种，也称为IGFET（绝缘栅场效应晶体管）或MIFET（金属绝缘体场效应晶体管）。在MOSFET中，通道和栅极通过薄的SiO2层分离，它们形成随栅极电压变化的电容。

因此，MOSFET就像MOS电容器一样工作，通过输入栅极到源极电压进行控制，所以，MOSFET也可以用作压控电容器。MOSFET的结构类似于MOS电容器，因为该电容器中的硅基是P型的。

MOSFET被分为四种类型，分别是P通道增强型、N通道增强型、P通道耗尽型和N通道耗尽型。此前已经介绍过几种类型，本文将详细说说N沟道MOSFET的作用、工作原理以及应用特点。

基本概念

一种MOSFET沟道由大多数电荷载流子组成，如电子等载流子，它被称为N沟道MOSFET。一旦这个MOSFET开启，那么大部分电荷载流子将在整个通道中移动。N沟道MOSFET与P沟道MOSFET形成对比。

N沟道MOSFET包括位于源极和漏极端子中间的N-沟道区，它是一个三端器件，其端子为 G（栅极）、D（漏极）和S（源极）。在这个晶体管中，源极和漏极是重掺杂的N+区，而主体或衬底是P型的。

N沟道MOSFET符号如下所示，其中箭头符号方向是向内的。这里，箭头符号指定了通道的类型，表示为P通道或N通道。

工作原理

N沟道MOSFET包括一个位于源极和漏极中间的N沟道区域，在这个FET中，源极和漏极是重掺杂的N+区域，而主体或衬底是P型的。

在N沟道MOSFET中，通道是在电子到达时创建的，+Ve电压还将电子从N+源极和漏极区域吸引到沟道中。一旦在漏极和源极之间施加电压，电流就会在源极和漏极之间自由流动，而栅极处的电压只会控制通道内的电荷载流子电子。类似地，如果在栅极端施加-Ve电压，则在氧化层下方形成空穴沟道。

应用电路

使用N通道MOSFET和Arduino Uno rev3控制无刷直流风扇的电路图如下所示。该电路可以使用Arduino Uno rev3开发板、N通道MOSFET、无刷直流风扇和连接线构建。

在该电路中，使用的MOSFET是2N7000 N沟道MOSFET，它是增强型的，因此应该将Arduino的输出引脚设置为高电平，以便为风扇供电。

该电路的连接步骤如下：

• 将MOSFET的源极引脚连接到GND。
• MOSFET的栅极引脚连接到Arduino的引脚2。
• MOSFET的漏极到风扇的黑色线。
• 无刷直流风扇的红色线连接到面包板的正极导轨。
• 需要从Arduino 5V引脚到面包板的正极轨提供额外的连接。

通常情况下，MOSFET用于开关和放大信号。在本示例中，这个MOSFET用作一个开关，它包括三个端子，分别是栅极、源极和漏极。此外，N沟道MOSFET是一种电压控制器件，它有两种类型，即增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。

通常情况下，一旦Vgs（栅极-源极电压）为0V，增强型MOSFET就会关闭，因此应该向栅极端提供电压，以便电流流过漏极-源极沟道。然而，耗尽型MOSFET 通常在Vgs（栅极-源极电压）为0V时开启，因此电流通过漏极流向源极沟道，直到在栅极端子上提供+ve电压。其代码如下：

void setup() {
// 将设置代码放在此处，运行一次:
pinMode(2, OUTPUT);

}

void loop() {
// 把主要代码放在这里，实现重复运行:
digitalWrite(2, HIGH);
delay(5000);
digitalWrite(2, LOW);
delay(5000);
}

因此，当5v电源提供给MOSFET的栅极端子时，无刷直流风扇将打开。同样，当0v被提供给MOSFET的栅极端子时，风扇将关闭。

主要类型

如上所述，N沟道MOSFET是一种电压控制器件，它分为增强型和耗尽型两种。

1、N沟道增强型MOSFET

一旦栅源电压为零伏特，增强型N沟道MOSFET通常会关闭，因此应向栅极端子提供电压，以便电流供应整个漏源沟道。

N沟道增强型MOSFET的工作原理与增强型P沟道MOSFET相同，只是结构和操作不同。在N沟道MOSFET中，轻掺杂的P型衬底可以形成器件本体，而源极和漏极区用N型杂质重掺杂。

这里源极和主体通常连接到接地端子，一旦向栅极端子施加正电压，由于栅极的正性和等效电容效应，P型衬底的少数电荷载流子就会吸引到栅极端子。

P型衬底的多数电荷载流子（如电子）和少数电荷载流子将被吸引到栅极端子，使其通过电子与空穴的复合在介电层下方形成一个未覆盖的负离子层。

如果不断增加正栅极电压，复合过程将在阈值电压水平之后达到饱和，然后像电子一样的电荷载流子将开始在该位置聚集，形成自由电子传导通道。这些自由电子也将来自重掺杂源，并耗尽N型区。

如果在漏极端施加+ve电压，那么电流将在整个通道中流动。因此，沟道电阻将取决于沟道内的电子等自由电荷载流子。同样，这些电子将取决于该沟道内器件的栅极电位。当自由电子浓度形成通道时，由于栅极电压的增加，整个通道的电流将增强。

2、N沟道耗尽型MOSFET

通常情况下，只要栅极到源极的电压为0V，该MOSFET就会被激活，因此电流从漏极提供到源极通道，直到栅极（G）端子上施加正电压。与N沟道增强MOSFET相比，N沟道耗尽MOSFET的工作方式不同。在N沟道耗尽型MOSFET中，使用的衬底是P型半导体。

在N沟道耗尽型MOSFET中，源极和漏极区域都是重掺杂的N型半导体。源极区和漏极区之间的间隙通过N型杂质扩散。

一旦在源极和漏极之间施加电位差，电流就会流过衬底的N区域。当在栅极端施加-ve电压时，电荷载流子（如电子）将在SiO2介电层下方的N区中被消除并向下移动。

因此，在SiO2介电层下会出现未覆盖的正离子层。通过这种方式，通道内将发生电荷载流子的耗尽，所以整个通道的电导率将降低。

在这种情况下，当在漏极端子上施加相同的电压时，漏极的电流将减小。这里能够观察到，漏电流可以通过改变沟道内载流子的耗尽来控制，因此称为耗尽MOSFET。

其中，栅极处于-ve电位，漏极处于+ve电位，源极处于“0”电位。结果，漏极与栅极之间的电压差大于源极与栅极之间的电压差，因此耗尽层宽度更靠近漏极而不是源极。

N沟道MOSFET和P沟道MOSFET的区别

主要特性

N沟道MOSFET具有漏极和传输两个特性。

1、漏极特性

N沟道MOSFET的漏极特性包括以下内容：

• N沟道MOSFET的漏极特性绘制在输出电流和VDS之间，VDS称为漏源电压。
• 正如在上图中看到的，对于不同的Vgs值，绘制了相应的当前值。因此可以在图中看到不同的漏极电流图，例如最低Vgs值、最大Vgs值等。
• 在上述特性中，电流在经过一定的漏极电压后将保持恒定。因此，工作MOSFET需要漏极到源极的最小电压。
• 因此，当增加“Vgs”时，通道宽度将增加，从而导致更多的I_D（漏极电流）。

2、传输特性

N沟道MOSFET的传输特性包括以下内容：

• 传输特性也称为跨导曲线，绘制在输入电压 (Vgs) 和输出电流 (I_D) 之间。
• 一开始，只要没有栅源电压 (Vgs)，那么流动的电流就会非常小，接近微安。
• 一旦栅源电压为正，漏电流逐渐增加。
• 之后，漏极电流的快速增加相当于Vgs的增加。
• 漏极电流可以通过I_D= K (Vgsq- Vtn)^2获得。

主要应用

N沟道MOSFET的应用包括以下内容：

• 用于低电压设备应用，例如使用电机和直流电源的全桥和B6桥布置。
• 有助于将电机的负电源反向切换。
• N沟道MOSFET在饱和区和截止区工作，所以它就像一个开关电路。
• 这些MOSFET用于将LAMP投影仪或LED进行ON/OFF切换。
• 在大电流应用中N沟道MOSFET是优选的。

总结