mosfet应用-MOSFET在开关电路中的应用及开关特性详解

mosfet

本文主要讲mosfet应(ying)用(yong)开关电路中。mosfet简(jian)称金(jin)氧半场(chang)效晶(jing)体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用(yong)在模拟(ni)电路与(yu)数字电路的(de)场(chang)效晶(jing)体管（field-effect transistor）。 [1]  MOSFET依照其(qi)(qi)“通道”（工作载流(liu)子）的(de)极性不同，可分为(wei)(wei)“N型(xing)(xing)”与(yu)“P型(xing)(xing)” 的(de)两种类型(xing)(xing)，通常又称为(wei)(wei)NMOSFET与(yu)PMOSFET，其(qi)(qi)他简(jian)称上包括NMOS、PMOS等。

mosfet应用在开关电路中

mosfet应用(yong)，在一些简单的小功(gong)率开关(guan)电(dian)路中，利用(yong)双极结型(xing)三(san)极管（BJT，Bipolar Junction Transistor）作为开关(guan)管时(shi)可能会(hui)遇到输(shu)入电(dian)流(liu)不足，BJT工作状态无法正确配置，进(jin)而(er)无法实(shi)现(xian)电(dian)路功(gong)能的情况。

例如图1所示的(de)一个使用BJT SS8050LT作(zuo)为(wei)(wei)开(kai)关管的(de)加热(re)控制电(dian)(dian)路，BJT为(wei)(wei)共射极(ji)(ji)连接(jie)(jie)。将(jiang)BJT视(shi)为(wei)(wei)一个二端(duan)口(kou)网络(luo)，输入(ru)端(duan)口(kou)为(wei)(wei)电(dian)(dian)阻(zu)与(yu)NTC型热(re)敏(min)电(dian)(dian)阻(zu)构成的(de)基极(ji)(ji)分(fen)压回(hui)路，参数(shu)分(fen)别为(wei)(wei)基极(ji)(ji)-发射极(ji)(ji)电(dian)(dian)压以及流入(ru)基极(ji)(ji)的(de)电(dian)(dian)流；输出(chu)端(duan)口(kou)没有(you)连接(jie)(jie)任何负载(zai)，参数(shu)分(fen)别为(wei)(wei)集电(dian)(dian)极(ji)(ji)与(yu)发射极(ji)(ji)两端(duan)的(de)电(dian)(dian)压和集电(dian)(dian)极(ji)(ji)电(dian)(dian)流。49Ω基极电阻作(zuo)为发热器件，由8个390Ω电阻并联而成(cheng)。

图1BJT加热控制电路

图1所示的加热(re)(re)控制电(dian)(dian)路设(she)计的功能(neng)可描述(shu)为(wei)：当(dang)环境(jing)温度为(wei)常(chang)温25℃时，热(re)(re)敏电(dian)(dian)阻的阻值为(wei)10.000kΩ，基(ji)极-发射极电(dian)(dian)压，BJT未(wei)导通，电(dian)(dian)路未(wei)工作；当(dang)环境(jing)温度下降到10℃时，热(re)(re)敏电(dian)(dian)阻的阻值增大至17.958kΩ，基(ji)极-发射极电(dian)(dian)压，BJT导通，集电(dian)(dian)极电(dian)(dian)流(liu)流(liu)过基(ji)极电(dian)(dian)阻，电(dian)(dian)阻发热(re)(re)，电(dian)(dian)路正常(chang)工作。

显然，电(dian)(dian)(dian)路中BJT的(de)(de)(de)工作状态需要处(chu)(chu)于(yu)饱(bao)和(he)区(qu)(qu)内，保证电(dian)(dian)(dian)压尽可能多的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压落在基极电(dian)(dian)(dian)阻(zu)的(de)(de)(de)两端(duan)，提(ti)高电(dian)(dian)(dian)阻(zu)的(de)(de)(de)发(fa)热功(gong)率。根(gen)据(ju)BJT的(de)(de)(de)工作原(yuan)理可知(zhi)，BJT的(de)(de)(de)发(fa)射极和(he)集电(dian)(dian)(dian)极均处(chu)(chu)于(yu)正向偏置的(de)(de)(de)区(qu)(qu)域为饱(bao)和(he)区(qu)(qu)。在这一(yi)(yi)区(qu)(qu)域内，一(yi)(yi)般(ban)有(you)，因而集电(dian)(dian)(dian)极内电(dian)(dian)(dian)场被削弱(ruo)，集电(dian)(dian)(dian)极收集载流子的(de)(de)(de)能力减(jian)弱(ruo)，这时电(dian)(dian)(dian)流分配(pei)关(guan)系不再满足(zu)，随增加(jia)而迅速上升(sheng)，如图(tu)2所(suo)示。饱(bao)和(he)区(qu)(qu)内的(de)(de)(de)很小，称为BJT的(de)(de)(de)饱(bao)和(he)压降，其大小与及有(you)关(guan)。图(tu)中虚线是饱(bao)和(he)区(qu)(qu)与放(fang)大区(qu)(qu)的(de)(de)(de)分界(jie)(jie)线，称为临界(jie)(jie)饱(bao)和(he)线。对(dui)于(yu)小功(gong)率管(guan)，可以认为当(dang)（即）时，BJT处(chu)(chu)于(yu)临界(jie)(jie)饱(bao)和(he)（或临界(jie)(jie)放(fang)大）状态。

图2BJT SS8050LT共射极连接时的(de)输出特性(xing)曲线

要想使BJT工作(zuo)在(zai)饱(bao)和区内，就要增(zeng)大(da)基(ji)(ji)极-发射极电(dian)(dian)(dian)压(ya)，而(er)(er)环境温(wen)度(du)越(yue)低(di)，热敏电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)阻(zu)(zu)值越(yue)大(da)，从(cong)而(er)(er)增(zeng)大(da)。但(dan)是必须注意到，BJT输入端口的基(ji)(ji)极分(fen)(fen)压(ya)回路电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)越(yue)大(da)，输入电(dian)(dian)(dian)流(liu)则(ze)越(yue)小。具体(ti)来说，在(zai)BJT导通后，基(ji)(ji)极-发射极电(dian)(dian)(dian)压(ya)，基(ji)(ji)极分(fen)(fen)压(ya)回路总(zong)电(dian)(dian)(dian)流(liu)，从(cong)图1.2中可以(yi)看(kan)出，流(liu)入基(ji)(ji)极的电(dian)(dian)(dian)流(liu)太小，BJT无(wu)法工作(zuo)在(zai)正常状态(tai)下(xia)，电(dian)(dian)(dian)路功能无(wu)法实现。而(er)(er)且由于(yu)NTC型热敏电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)的器件(jian)选型限制，无(wu)法改(gai)用更(geng)小阻(zu)(zu)值的分(fen)(fen)压(ya)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)来降低(di)基(ji)(ji)极分(fen)(fen)压(ya)回路的总(zong)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)值。对于这种BJT流控(kong)器件的(de)限制，可以采用MOSFET压控(kong)器件来代替。

原理描述

MOSFET全称为Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名称为金属(shu)-氧(yang)化物-半导体场效应管。随着制(zhi)造工艺的成熟，MOSFET兼有(you)(you)体积小、重量轻、耗电(dian)省、寿命长等特点。而且MOSFET还有(you)(you)输(shu)入阻抗(kang)(kang)高(gao)、噪声低、热(re)稳定性(xing)好、抗(kang)(kang)辐(fu)射能力强等优点，因而获得了(le)广泛的应用，特别是在大规模(mo)和超大规模(mo)集(ji)成电(dian)路中占(zhan)有(you)(you)重要的地位。

作为(wei)一种场效应管（FET），MOSFET为(wei)单极(ji)型(xing)器件(jian)，即管子(zi)只有(you)一种载流(liu)子(zi)（电(dian)(dian)子(zi)或空穴(xue)）导电(dian)(dian)。从导电(dian)(dian)载流(liu)子(zi)的(de)带(dai)电(dian)(dian)极(ji)性来看，MOSFET有(you)N（电(dian)(dian)子(zi)型(xing)）沟道和P（空穴(xue)型(xing)）沟道之分；按(an)照导电(dian)(dian)沟道形成(cheng)机理(li)不同，又有(you)增强型(xing)（E型(xing)）和耗尽型(xing)（D型(xing)）的(de)区(qu)别(bie)。

mosfet应用，以N沟道增强型(xing)MOSFET AO3400A举例(li)，AO3400A的输出特性(xing)如(ru)图(tu)4所示。将曲线图(tu)分(fen)为三(san)个区(qu)域，分(fen)别为截止(zhi)区(qu)、可变(bian)电阻(zu)区(qu)、饱和区(qu)（恒(heng)流区(qu)又(you)称放大区(qu)）。

1)截止区

当时，导电(dian)沟道尚(shang)未形成，，为截止工作(zuo)状(zhuang)态(tai)。

2)可变电阻(zu)区(qu)

当时，MOSFET处(chu)于(yu)可变(bian)电阻区，此时输出(chu)电阻受(shou)控(kong)制。

3)饱和区(qu)

当，且时，MOSFET进(jin)入饱(bao)和区。不随(sui)变化(hua)，而是(shi)由栅源极电(dian)压控制。

图4AO3400A输(shu)出(chu)特性

方案论证

mosfet应用，根据上述MOSFET的(de)(de)原理叙述，在上面提到的(de)(de)加热控(kong)制(zhi)电(dian)路(lu)中应该采用N沟道增强型MOSFET代替(ti)原有的(de)(de)BJT，这里(li)选择AO3400A，于(yu)是有如图(tu)5所示的(de)(de)MOSFET共源极放大电(dian)路(lu)。由于(yu)MOSFET是电(dian)压(ya)控(kong)制(zhi)器件，所以提供合适的(de)(de)栅(zha)源极电(dian)压(ya)，就(jiu)可以建立合适的(de)(de)静态工作(zuo)点，使电(dian)路(lu)工作(zuo)在正(zheng)常状态。

图5MOSFET加热控制电路(lu)

根(gen)据(ju)N沟道(dao)增(zeng)(zeng)强(qiang)型MOSFET AO3400A的(de)(de)(de)数(shu)据(ju)手册(ce)，AO3400A的(de)(de)(de)开(kai)启电压在常(chang)温(wen)(wen)25℃下为。当环(huan)境(jing)温(wen)(wen)度下降(jiang)(jiang)到(dao)10℃时，电路开(kai)始工作。此时NTC型热(re)敏电阻(zu)的(de)(de)(de)阻(zu)值增(zeng)(zeng)大至17.958kΩ，MOSFET导通，即栅源极电压，在这里需要(yao)将(jiang)分压电阻(zu)的(de)(de)(de)阻(zu)值调整(zheng)为47kΩ。随着(zhe)温(wen)(wen)度的(de)(de)(de)下降(jiang)(jiang)，栅源极电压增(zeng)(zeng)大，流过发(fa)热(re)电阻(zu)的(de)(de)(de)电流也(ye)随着(zhe)增(zeng)(zeng)大。

举(ju)例说(shuo)明，当环境温度(du)下降到(dao)(dao)-20℃时，热敏电(dian)阻的阻值增(zeng)大至67.801kΩ，栅源极(ji)电(dian)压增(zeng)大至。使用万用表实(shi)测(ce)得(de)到(dao)(dao)漏源极(ji)电(dian)压，说(shuo)明MOSFET工作在可变电(dian)阻区内；同时测(ce)得(de)漏极(ji)电(dian)流(liu)，可计算(suan)得(de)到(dao)(dao)发(fa)热电(dian)阻的功率为，实(shi)际(ji)发(fa)热效果可靠，电(dian)路(lu)功能实(shi)现。

mosfet的开关特性

详解mosfet应用在开关电(dian)路中(zhong)的应用后，现在来看(kan)看(kan)mosfet的开关特性。MOS管最(zui)显著的特点(dian)也是(shi)具有(you)放大能力。不过(guo)它是(shi)通过(guo)栅极电(dian)压uGS控(kong)制其工(gong)作状态的，是(shi)一种具有(you)放大特性的由(you)电(dian)压uGS控(kong)制的开关元件。

1、静态特性

MOS管作为开(kai)关元(yuan)件，同样(yang)是工作在截止或导通两种(zhong)状态。由于MOS管是电压控制元(yuan)件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。图下(a)为由NMOS增强型(xing)管构成的开(kai)关电路。

2、 漏(lou)极特性(xing)

反(fan)映漏极(ji)(ji)电(dian)流(liu)iD和漏极(ji)(ji)-源极(ji)(ji)间(jian)电(dian)压(ya)uDS之间(jian)关(guan)系(xi)的曲线(xian)族叫做漏极(ji)(ji)特性(xing)曲线(xian)，简(jian)称为(wei)漏极(ji)(ji)特性(xing)，也(ye)就(jiu)是表(biao)示函(han)数 iD=f(uDS)|uGS的几何图(tu)形，如图(tu)（a）所示。当uGS为(wei)零或很小时，由于漏极(ji)(ji)D和源极(ji)(ji)S之间(jian)是两个背靠背的PN结，即使在(zai)漏极(ji)(ji)加上正电(dian)压(ya)（uDS>0V），MOS管中也(ye)不会(hui)有电(dian)流(liu)，也(ye)即管子(zi)处(chu)在(zai)截(jie)止状态。

当(dang)uGS大(da)于开启电(dian)压UTN时，MOS管就(jiu)导通(tong)了。因(yin)为在(zai)(zai)UGS=UTN时，栅极(ji)(ji)和(he)(he)衬(chen)底之间(jian)产生的电(dian)场已增加到足(zu)够(gou)强的程度，把(ba)P型(xing)(xing)(xing)衬(chen)底中(zhong)的电(dian)子吸引到交界面(mian)处，形(xing)成的N型(xing)(xing)(xing)层——反型(xing)(xing)(xing)层，把(ba)两个N+区(qu)连接起来，也即(ji)(ji)沟(gou)通(tong)了漏极(ji)(ji)和(he)(he)源(yuan)极(ji)(ji)。所以，称此(ci)管为N沟(gou)道增强型(xing)(xing)(xing)MOS管。可变电(dian)阻(zu)区(qu)：当(dang)uGS>UTN后，在(zai)(zai)uDS比较小时，iD与(yu)uDS成近似线(xian)性关(guan)系，因(yin)此(ci)可把(ba)漏极(ji)(ji)和(he)(he)源(yuan)极(ji)(ji)之间(jian)看(kan)(kan)成是一个可由(you)uGS进行控(kong)制的电(dian)阻(zu)，uGS越大(da)，曲(qu)线(xian)越陡，等效电(dian)阻(zu)越小，如图（a）所示(shi)。恒流区(qu)(饱和(he)(he)区(qu))：当(dang)uGS>UTN后，在(zai)(zai)uDS比较大(da)时，iD仅决定于uGS（饱和(he)(he)），而与(yu)uDS几(ji)乎无关(guan)，特(te)性曲(qu)线(xian)近似水平线(xian)，D、S之间(jian)可以看(kan)(kan)成为一个受uGS控(kong)制的电(dian)流源(yuan)。在(zai)(zai)数字电(dian)路(lu)中(zhong)，MOS管不(bu)是工作(zuo)在(zai)(zai)截止区(qu)，就(jiu)是工作(zuo)在(zai)(zai)可变电(dian)阻(zu)区(qu)，恒流区(qu)只是一种瞬间(jian)即(ji)(ji)逝的过度状态。

3、转移特性

反(fan)映漏(lou)极(ji)电流iD和栅源(yuan)电压uGS关系的(de)(de)曲线(xian)叫做转移特(te)性曲线(xian)，简称为转移特(te)性，也就是(shi)表示函数(shu) iD=f(uGS)|uDS的(de)(de)几何图(tu)形，如图(tu)（b ）所示。当uGS<UTN时，MOS管是(shi)截止(zhi)的(de)(de)。当uGS>UTN之后，只要在恒(heng)流区，转移特(te)性曲线(xian)基本上是(shi)重合在一起的(de)(de)。曲线(xian)越陡，表示uGS对(dui)iD的(de)(de)控制作用越强(qiang)，也即放大作用越强(qiang)，且常用转移特(te)性曲线(xian)的(de)(de)斜率跨(kua)导gm来表示。

4、P沟道增强(qiang)型MOS管

上面讲(jiang)的是Ｎ沟(gou)道增强(qiang)型MOS管(guan)。对于Ｐ沟(gou)道增强(qiang)型MOS管(guan)，无论是结构(gou)、符(fu)号，还是特性(xing)(xing)曲线，与Ｎ沟(gou)道增强(qiang)型MOS管(guan)都有着明显的对偶(ou)关系。其衬底是Ｎ型硅，漏极(ji)和(he)源极(ji)是两(liang)个Ｐ+区，而且它的uGS、uDS极(ji)性(xing)(xing)都是负的，开启电压ＵTP也是负值。Ｐ沟(gou)道增强(qiang)型MOS管(guan)的结构(gou)、符(fu)号、漏极(ji)特性(xing)(xing)和(he)转移特性(xing)(xing)如图所示。

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