mosfet的工作原理

MOSFET与MOSFET驱动电路原理及应用

下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。

1、MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET)，可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。右图是这两种MOS管的符号。

至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。

对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。

在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。下图是MOS管的构造图，通常的原理图中都画成右图所示的样子。 (栅极保护用二极管有时不画) MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，如图所示。这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，在MOS管的驱动电路设计时再详细介绍。

2、MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，使用与源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。 MOSFET依照其"通道"(工作载流子)的极性不同，可分为"N型"与"P型" 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称上包括NMOS、PMOS等。

结构：

典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极)，栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。

常见的N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。虽然有不同的结构，但其工作原理是相同的，这里就不一一介绍了。

工作原理：

要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。

若先不接VGS(即VGS=0)，在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反，所以称为"反型层"，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压)，用符号VT表示(一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系，如图3所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。由于这种结构在VGS=0时，ID=0，称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET，在VGS=0时也有一定的ID(称为IDSS)，这种MOSFET称为耗尽型。

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是一种场效应晶体管，可广泛用于模拟电路和数字电路。根据其“通道”（工作载波）的极性，它可以分为两种类型：“ N型”和“ P型”。

它使用一片p型硅半导体材料作为衬底，在其表面上分布两个N型区域，然后用二氧化硅（SiO2）绝缘层覆盖它。最后，通过蚀刻在N型区域上方制造两个孔，并通过金属化在绝缘层上和两个孔中制造三个电极：G（栅极），S（源极）和D（漏极），如图所示。该图。从图可以看出。从图1可以看出，栅极g与漏极d和源极s绝缘，并且d和s之间有两个PN结。通常，基板和源极在内部连接，这等效于d和S之间的PN结。

为了改善某些参数的特性，例如增加工作电流，增加工作电压，降低导通电阻和改善开关特性，存在不同的结构和过程，它们构成了所谓的VMOS，DMOS， TMOS和其他结构。尽管它们具有不同的结构，但是它们的工作原理是相同的，因此在此将不介绍它们。

为了使增强型N沟道MOSFET起作用，在G和S之间施加正电压VGS，在D和S之间施加正电压VDS，从而产生正向工作电流ID。可以通过改变VGS的电压来控制工作电流ID。

如果未先连接VGS（即VGS = 0），则在D电极和S电极之间施加正电压VDS，并且漏极D和衬底之间的PN结反转，因此漏极和源极无法导电。如果在栅极g和源极s之间施加了电压VGS。此时，可以将栅极和基板视为电容器的两个极板，并且将氧化物绝缘层用作电容器的电介质。当施加VGS时，在绝缘层与栅极之间的界面处感应出正电荷，而在绝缘层与P型衬底之间的界面处感应出负电荷。由该层感应的负电荷与P型衬底中多数载流子（空穴）的极性相反，因此称为“反转层”，可以将漏极和源极N型区域连接起来以形成导电性渠道。

当VGS电压太低时，感应的负电荷会减少，这将被P型衬底中的孔中和，因此在这种情况下，漏极和源极之间仍然没有电流ID。当VGS增加到某个值时，感应的负电荷将两个分离的N个区域连接起来，形成一个N通道。该临界电压称为阈值电压（或阈值电压，mosfet），由符号VT表示（通常将ID = 10uA的VGS定义为VT）。随着VGS继续增加，负电荷增加，导电通道扩大，电阻减小，ID也增加，显示出良好的线性关系。该曲线称为转换特性。因此，在一定范围内，可以认为改变VGS可以控制漏极和源极之间的电阻，并实现控制ID的功能。由于这种结构，当VGS = 0，ID = 0时，此MOSFET称为增强模式。当VGS = 0时，另一种MOSFET也具有一定的ID（称为IDSS），这称为耗尽型，耗尽型和增强型之间的主要区别在于，SiO2绝缘层中存在大量正离子，这会在p型衬底的界面上感应出更多的负电荷，即n型硅薄层是在两个n型区域之间的p型硅中形成导电通道，因此当VGS = 0时，在VDS的作用下存在一定的id（IDSS）。当VGS具有电压（正电压或负电压）时，它将改变感应的负电荷量，从而改变ID的大小。当ID = 0时，VP为-VGS，称为夹断电压。

mosfet工作原理

MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR， 但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

2.功率MOSFET的结构和工作原理

功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

2.1功率MOSFET的结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但 结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。