MOSFET-符号，构造和工作

电力电子开关组件，例如BJT，MOSFET，IGBT，SCR，TRIAC等，是许多电路设计中必不可少的器件，从简单的驱动器电路到复杂的功率整流器和逆变器。其中最基本的就是BJT，我们已经学习了BJT晶体管的工作原理。除了BJT，广泛使用的功率开关是MOSFET。与BJT相比，MOSFET可以处理高电压和大电流，因此在高功率应用中很受欢迎。在本文中，我们将学习MOSFET的基础知识，其内部结构，工作原理以及如何在电路设计中使用它们。 如果您想跳过这一理论，可以查阅有关流行MOSFET的文章，以及在哪里使用它们来加快零件选择和设计过程的速度。

什么是MOSFET？

MOSFET代表金属氧化物场效应晶体管，发明MOSFET是为了克服FET中存在的缺点，例如高漏极电阻，中等输入阻抗和较慢的操作。因此，MOSFET可以称为FET的高级形式。在某些情况下，MOSFET也被称为IGFET（绝缘栅场效应晶体管）。 实际上，MOSFET是一种压控器件，这意味着通过向栅极引脚施加额定电压，MOSFET将开始通过漏极和源极引脚导通。我们将在本文后面详细介绍。

FET与MOSFET之间的主要区别在于MOSFET的金属氧化物栅电极通过二氧化硅或玻璃的薄层与主要的半导体n沟道或p沟道电绝缘。所述控制门的隔离提高了输入电阻在兆欧姆（M的值非常高MOSFET的Ω ）。

MOSFET的象征

通常，MOSFET是具有漏极（D），源极（S），栅极（G）和体（B）/基板端子的四端器件。主体端子将始终连接到源极端子，因此，MOSFET将作为三端子器件工作。在下图中，左侧显示N沟道MOSFET的符号，右侧显示P沟道MOSFET的符号。

MOSFET最常用的封装是To-220，为了更好地理解，让我们看一下著名的IRF540N MOSFET的引脚排列（如下所示）。如您所见，下面列出了栅极，漏极和源极引脚，请记住，这些引脚的顺序将根据制造商而变化。其他受欢迎的MOSFET是IRFZ44N，BS170，IRF520，2N7000等

MOSFET作为开关

MOSFET的最常见应用是将其用作开关。下面的电路显示了MOSFET用作开关设备以打开和关闭灯的功能。的栅极输入电压V _GS施加输入电压源的帮助。当施加的电压为正时，电动机将处于“开”状态；如果施加的电压为零或负，则灯将处于“关”状态。

通过向门极引脚提供所需的电压来打开Mosfet时，除非向门极提供0V，否则它将保持导通状态。为避免此问题，我们应始终使用下拉电阻（R1），这里我使用的电阻值为10k。在控制电动机速度或调光的应用中，我们将使用PWM信号进行快速切换，在这种情况下，MOSFET的栅极电容会由于寄生效应而产生反向电流。为了解决这个问题，我们应该使用限流电容器，这里我使用的是470的值。

上述负载被认为是电阻性负载，因此电路非常简单，并且在需要使用感性或电容性负载的情况下，我们需要使用某种保护措施以防止MOSFET损坏。例如，如果我们使用不带电荷的电容性负载，则将其视为短路，这将导致高的电流“涌入”，并且当从电感性负载中去除施加的电压时，将会有大量的电流涌入。当磁场崩溃时，电路中反向电压的增加会导致电感器绕组中产生反电动势。

MOSFET的分类

根据工作类型，MOSFET可分为两种类型，即增强型MOSFET（E-MOSFET）和耗尽型MOSFET（D-MOSFET），这些MOSFET根据用于构造的材料进一步分为n沟道和MOSFET。 p通道。因此，通常有4种不同类型的MOSFET

• N沟道耗尽型MOSFET
• P沟道耗尽型MOSFET
• N沟道增强模式MOSFET
• P通道增强模式MOSFET

所述 N沟道MOSFET被称为NMOS并且它们由以下符号表示。

根据MOSFET的内部结构，栅极（G），漏极（D）和源极（S）引脚在耗尽型MOSFET中物理连接，而在增强模式中则物理隔离，这就是为什么对于增强模式MOSFET，该符号似乎已损坏。P沟道MOSFET称为PMOS，由以下符号表示。

在可用的类型中，N沟道增强MOSFET是最常用的MOSFET。但是为了知识起见，让我们尝试着找准差异。N沟道MOSFET和P沟道MOSFET之间的主要区别在于，在N沟道中，MOSFET开关将保持断开状态，直到提供栅极电压为止。当栅极引脚接收电压时，开关（漏极和源极之间）将闭合，在P沟道MOSFET中，该开关将保持闭合，直到提供栅极电压为止。

类似地，增强模式MOSFET和耗尽模式MOSFET之间的主要区别在于，施加到E-MOSFET的栅极电压应始终为正，并且具有一个阈值电压，在该阈值电压以上它会完全导通。对于D-MOSFET，栅极电压可以为正或负，并且永远不会完全导通。还要注意，D-MOSFET可以工作在增强和耗尽模式下，而E-MOSFET只能工作在增强模式下。

MOSFET的构造

下图显示了MOSFET的典型内部结构。尽管MOSFET是FET的一种高级形式，并且在与FET相同的三个端子下工作，但MOSFET的内部结构实际上与普通FET不同。 

如果看一下结构，您会发现栅极端子固定在薄金属层上，该薄金属层与半导体之间由一层二氧化硅（SiO2）绝缘，并且您将能够看到固定了两个N型半导体在放置漏极和源极端子的沟道区域中。MOSFET的漏极和源极之间的沟道为 N型，与此相反，衬底被实现为P型。这有助于使MOSFET的正极性或负极性都偏置。如果MOSFET的栅极端子没有偏置，它将保持不导通状态，因此MOSFET主要用于设计开关和逻辑门。

MOSFET的工作原理

通常，MOSFET用作开关，MOSFET控制源极和漏极之间的电压和电流。MOSFET的工作取决于MOS电容器，该电容器是源极和漏极端子之间的氧化层下方的半导体表面。只需分别施加正或负栅极电压，即可将其从p型转换为n型。 下图显示了MOSFET的框图。

当在漏极和源极之间连接漏极-源极电压（V _DS）时，将正电压施加到漏极，将负电压施加到源极。此处，漏极处的PN结被反向偏置，源极处的PN结被正向偏置。在此阶段，漏极和源极之间将没有任何电流流动。

如果我们向栅极端子施加正电压（V _GG），由于静电吸引，P衬底中的少数电荷载流子（电子）将开始积聚在栅极触点上，这在两个n +区域之间形成导电桥。积累在栅极触点上的自由电子的数量取决于所施加的正电压的强度。施加的电压越高，由于电子累积而形成的n沟道的宽度越大，这最终会增加导电率，并且漏极电流（I _D）将开始在源极和漏极之间流动。

当没有电压施加到栅极端子时，由于少数载流子，除了少量电流外，没有任何电流流动。MOSFET开始导通的最小电压称为阈值电压。

MOSFET在耗尽模式下的操作： 

耗尽型MOSFET通常被称为“导通”器件，因为当栅极端没有偏置电压时，它们通常处于关闭状态。当我们以正数增加施加到栅极的电压时，在耗尽模式下，沟道宽度将增加。 这将增加通过沟道的漏极电流I _D。如果施加的栅极电压非常负，则沟道宽度会减小，MOSFET可能会进入截止区域。

六，特点：

耗尽型MOSFET晶体管的VI特性绘制在漏极-源极电压（V _DS）和漏极电流（I _D）之间。栅极端子上的少量电压将控制流过通道的电流。在漏极和源极之间形成的沟道将作为良导体，栅极端的偏压为零。如果将正电压施加到栅极，则沟道宽度和漏极电流将增加，而当我们将负电压施加到栅极时，沟道宽度和漏极电流将减小。

MOSFET在增强模式下的操作：

增强模式下MOSFET的操作类似于断开开关的操作，只有在将正电压（+ V _GS）施加到栅极端子并且漏极电流开始流过该器件时，MOSFET才开始导通。当偏置电压增加时，沟道宽度和漏极电流将增加。但是，如果施加的偏置电压为零或负，则晶体管本身将保持在OFF状态。

六，特点：

增强模式MOSFET的VI特性绘制在漏极电流（I _D）和漏极-源极电压（V _DS）之间。VI特性分为三个不同的区域，即欧姆，饱和和截止区域。截止区域是MOSFET将处于截止状态的区域，其中施加的偏置电压为零。当施加偏置电压时，MOSFET缓慢向导通模式移动，电导率的缓慢增加发生在欧姆区域。最后，饱和区是不断施加正电压的地方，MOSFET将保持导通状态。

MOSFET封装

MOSFET具有不同的封装，尺寸和名称，以用于不同类型的应用中。通常，MOSFET采用4种不同的封装交付，即表面贴装，直通孔，PQFN和DirectFET

三极管和MOS管控制区别 #

三极管和MOS管在驱动上是有区别的，三极管是电流驱动，而MOS管是电压驱动，三极管的基极驱动电压只要高于Ube的死区电压即可控制三极管导通，硅材料三极管的死区电压一般为0.6V，锗材料三极管的死区电压一般为0.3V，所以控制三极管的电压对于硅材料的三极管来说只要高于0.6V左右即可，而对于锗材料的三极管来说只要高于0.3V左右即可。

而MOS管就不一样了，MOS管是电压型驱动，其驱动电压必须高于其死区电压Ugs的最小值才能导通，不同型号的MOS管其导通的Ugs最小值是不同的，一般为3V~5V左右，最小的也要2.5V，但这也只是刚刚导通，其电流很小，还处于放大区的起始阶段，一般MOS管达到饱和时的驱动电压需6V~10V左右。

实际应用 #

了解三极管和MOS管在控制上的区别之后，那么单片机I/O口怎么控制三极管和MOS管呢？单片机一般采用5V或3.3V供电，其I/O口高电平为5V或3.3V，处理器一般讲究低功耗，如今使用3.3V供电的单片机较多，所以其I/O口高电平也只有3.3V。

（1）3.3V的电压足够可以驱动三极管，三极管属于电流驱动，根据I/O口的电压VIO以及限流电阻R1的值可以推算出基极电流，Ib=（VIO-0.6V）/R1，选择不同的电阻R1阻值，可以改变基极电流，只要VIO大于0.6V，想要使三极管工作在饱和区都可以，下图为简单的NPN三极管控制LED指示灯的原理。

（2）MOS管是电压驱动，MOS管开启最低驱动电压为3V~5V左右，不同型号MOS管驱动电压不同，一些小功率MOS管最低驱动电压为2.5V左右，单片机I/O口可以直接驱动，但是此时MOS管处于半导通状态，内阻很大，驱动小电流负载可以这么使用。大电流负载就不可以这么使用了，内阻大，管子的功耗过大，很容易烧毁MOS管。MOS管达到饱和状态所需驱动电压一般为6V~10V左右，3.3V的电压不足以直接驱动MOS管使其饱和。因此，可以在I/O口的输出端加一级三极管，使MOS管的驱动电压变高。举例说明，仅供参考，原理如下图所示。

原理分析：当单片机I/O口为高电平时，NPN三极管Q5导通，直接将N-MOS管控制极G极拉低，MOS管截止，负载不工作；当单片机I/O口为低电平时，NPN三极管Q5截止，电阻R12和R13将24V电源分压得G极电压为：24V*20K/（10K+20K）=8V，MOS管导通并达到饱和状态，负载工作。

总结：三极管为电流驱动，较低的电压就可以驱动三极管，而MOS管为电压驱动，驱动电压较高，单片机I/O口的电压不足以驱动MOS管，所以经常使用三极管作为缓冲改变电压，当然除了使用三极管之外还可以使用光耦等。

参考习题 #

一、Mos管的作用是？

参考答案：芯片用很微小的电信号，通过MOS的驱动，可以控制很大型的设备

二、MOS管的三个引脚分别是：

答案：G（Gate）、D（Drain）、S（Source）

三、MOS管和三极管的区别？

答案：MOS管为电压驱动，而三极管为电流驱动