Mosfet 基础 Mosfet 基础

### MOSFET基础知识 #### 一、MOSFET历史 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的概念早在20世纪20年代至30年代就已经被提出，这比双极型晶体管（BJT）的发明早了大约20年。当时，美国科学家J.E. Lilienfeld提出了一个具有两个金属触点并在半导体顶部放置一块金属板（如铝）的晶体管模型。通过在金属板上施加电压，在半导体表面形成电场，从而实现对触点间电流的控制。 #### 二、场效应晶体管(FET) **1. JFET（结型场效应晶体管）** - **定义**：JFET是一种利用外加电压产生的电场来控制载流子（电子或空穴）流动的器件。 - **工作原理**：通过改变栅极电压来控制耗尽区的宽度，进而影响沟道电阻，实现对电流的控制。 - **特性**：JFET适用于高频和低噪声应用。 **2. MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）** - **定义**：MOSFET是一种利用栅极电压控制半导体沟道中的载流子浓度，从而控制源极与漏极端之间的电流的晶体管。 - **工作原理**：通过在栅极与半导体之间施加电压，改变半导体沟道区域的导电性能。 - **应用**：广泛应用于电源开关、放大器、数字逻辑电路等领域。 #### 三、MOSFET结构 **1. 横向通道结构** - 在这种结构中，源极、栅极、漏极排列在同一平面上。 - 适用于集成电路中的小尺寸MOSFET。 **2. 垂直通道结构** - 源极和漏极位于垂直方向上，栅极围绕着源极和漏极之间的通道。 - 这种结构可以提高MOSFET的击穿电压，适用于高压应用。 #### 四、MOSFET特性 **1. 优点** - **高输入阻抗**：由于栅极与沟道之间有绝缘层隔离，使得栅极的输入阻抗非常高。 - **快速开关**：MOSFET的开关速度非常快，适用于高频应用。 - **低导通损耗**：在导通状态下，MOSFET的电阻较低，从而减少了导通时的功率损耗。 - **易于集成**：易于与其他CMOS电路集成。 **2. 缺点** - **热稳定性**：相比其他类型的晶体管，MOSFET的热稳定性较差。 - **栅极击穿风险**：栅极电压过高可能导致栅极绝缘层击穿。 **3. 基本特性** - **转移特性**：表示栅极电压与漏极电流之间的关系。 - **输出特性**：表示漏极电压与漏极电流之间的关系。 #### 五、MOSFET开关状态 **1. 关断状态** - 当栅极电压低于阈值电压时，MOSFET处于关断状态，几乎无电流通过。 **2. 开通瞬态** - 在开通瞬间，栅极电压迅速上升超过阈值电压，导致MOSFET进入过渡状态。 - 这个过程中可能会产生一定的能量损失。 **3. 导通状态** - 在此状态下，MOSFET完全导通，漏极与源极之间的电阻非常小。 - 此时主要关注的是导通电阻，它决定了导通状态下的功耗。 **4. 关断瞬态** - 关闭过程中，栅极电压下降，MOSFET逐渐进入关断状态。 - 这个过程同样会产生能量损失。 #### 六、MOSFET用户手册 **1. 电容特性** - MOSFET内部存在三种电容：栅极-源极电容、栅极-漏极电容以及源极-漏极电容。 - 这些电容会影响MOSFET的开关速度。 **2. 栅极电荷特性** - 栅极电荷是指当MOSFET从关断状态切换到导通状态时，栅极所积累的电荷量。 - 栅极电荷是评估MOSFET开关性能的一个重要参数。 **3. 漏-源极导通电阻** - 导通电阻是衡量MOSFET导通状态下漏极与源极之间电阻的参数。 - 该参数直接影响MOSFET在导通状态下的功耗。 **4. 阈值电压** - 阈值电压是使MOSFET从关断状态转变为导通状态所需的最小栅极电压。 - 对于MOSFET的设计和选择至关重要。 **5. 跨导** - 跨导反映了栅极电压变化引起漏极电流变化的程度，是MOSFET增益的一种度量。 **6. 漏-源极击穿电压** - 击穿电压是MOSFET所能承受的最大漏-源极电压。 - 超过此电压会导致MOSFET损坏。 **7. 漏-源极泄漏电流** - 在关断状态下，漏极与源极之间会有一小部分泄漏电流。 - 泄漏电流通常很小，但在某些应用中可能需要考虑。 **8. 栅-源极电压** - 栅-源极电压是控制MOSFET导通状态的关键参数。 - 它直接影响MOSFET的工作状态。 **9. 栅-源极泄漏电流** - 即使在没有外部偏置的情况下，栅极与源极之间也会存在微小的泄漏电流。 - 在某些精密应用中，需要对此进行精确控制。 **10. 开关特性** - 包括开通时间和关断时间等。 - 这些特性对于高速开关应用非常重要。 **11. 单脉冲雪崩能量** - MOSFET在短时间内能够承受的最大能量。 - 这是衡量MOSFET耐受瞬态过载能力的一个指标。 **12. 重复性雪崩评级** - 表示MOSFET能够重复承受的最大雪崩能量。 - 用于评估MOSFET在反复受到过载冲击时的可靠性。 **13. 漏-源极dv/dt评级** - 表示MOSFET能够承受的最大电压变化率。 - 对于高速开关应用尤为重要。 **14. 热特性** - 包括最大结温、热阻等。 - 热特性对于确保MOSFET在各种温度条件下的可靠运行至关重要。 **15. 连续漏极电流** - 指MOSFET在正常工作条件下能够连续承载的最大电流。 - 是设计电路时的重要参考数据。 **16. 总功耗** - 包括导通状态功耗、开关状态功耗等。 - 在计算MOSFET散热需求时非常关键。 **17. 安全工作区** - 定义了MOSFET在不同工作条件下的安全工作范围。 - 超出安全工作区可能会导致MOSFET损坏。 #### PWM计算 MOSFET在许多应用中都与PWM技术密切相关。通过调整PWM信号的占空比，可以控制MOSFET的导通时间，进而调节输出功率。在计算PWM相关的MOSFET参数时，需要考虑以下几个方面： 1. **开关频率**：即PWM信号的频率，决定了MOSFET每秒开关次数。 2. **占空比**：决定了MOSFET导通时间与整个周期时间的比例。 3. **开关损耗**：包括开通损耗和关断损耗，需要根据MOSFET的开关特性和PWM信号的频率进行计算。 4. **导通损耗**：由MOSFET的导通电阻决定，与PWM信号的占空比有关。 MOSFET作为现代电力电子领域中不可或缺的一部分，其特性、工作原理及应用等方面的知识对于工程师来说十分重要。掌握这些基础理论不仅有助于理解MOSFET的基本工作方式，还能为设计高性能电力电子设备提供必要的技术支持。