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不一样的开关丨MOS管的工作原理

2024-03-15 16:53

上次为大家介绍了可以作为开关和具有放大作用的三极管，相信经过上篇文章的解释，大家对三极管的开关作用也有一个具体的了解，但某些应用场景中，因为三极管是电流控制开关，在三极管开启过程中需要产生功耗，并且在某些高压或低噪声需求电路中，三极管的应用始终差强人意，这个时候，就需要用到本文的主角——MOSFET。

MOS，是MOSFET的缩写。MOSFET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）。

Mos管和三极管一样，也有三个极，它们分别是栅极（gate）、源极（source）和漏极（drain），具体结构如下图所示：

图1为典型的Nmos内部结构，其中源极一般直接与衬底连接，此时DS极之间就形成了一个体二极管（如图二中DS极中间的二极管），也就是说当电流可以直接从S→D的PN结方向导通。但正常MOS作为开关使用时，D极会比S极的电势更高，此时体二极管处于反向截止状态。而MOS管的栅极G，是一层薄薄的金属片，与MOS的P结并没有直接接触，此时，如果在G极和S极之间施加一个电压，那么P结的电子会受到电场的影响，被吸引至两个N结之间，从而在DS间形成一个导电沟道，具体的工作原理可见图3。

图3

那么一整个流程下来，MOS管就真正意义上达到了开关的目的。

而通过这个工作流程，我们也能够大致分析一下MOSFET的一些关键参数。

首先，是MOSFET的耐压：综合上面的MOS结构描述我们可以了解到MOS的耐压其实就是体二极管的反向击穿电压，也就是规格书上面的VDSS。

其次，MOSFET的耐流ID就是这个导电沟道所能承受max功率下的电流，当超过规格的电流流过时MOSFET会急剧升温，最终导致MOSFET的烧毁，实际应用中，留有足够余量和保持MOSFET的良好散热可以大大增强MOSFET工作的稳定性。

第三，我们知道栅极S的金属片其实未和P结接触，所以在两者之间也会存在一个寄生电容Ciss，也叫输入电容，而这个电容直接影响到导电沟通的形成速度，也就是MOSFET的开关速度。我们知道，电容越大，充电的时间就越长，电容越小，电容充电的时间就越短，所以在MOSFET的选取中，如果需要MOSFET高频开关，那么这个参数越小越好。

第四，导电沟道形成时，势必会产生一个寄生电阻RDS（on），这个电阻通常为几毫欧到几欧姆不等，如果MOS处于长时间导通状态，无疑这个阻值越小，MOSFET的整体发热情况和功耗也会更小。

所以在MOS选型替代中，除了耐压耐流封装等参数，还需要留意客户原型号的Ciss或RDS（on）。若输入电容小，RDS（on）较大，那么这个MOS多半用于电路中频繁开关使用；反之，则MOS的主要工作状态为导通，且对于开关速度要求不会太敏感。

以上便是本期的MOS管工作原理和参数讲解，MOSFET的应用颇为广泛，篇幅原因本文还未描述完整，后续会持续更新，各位如有不同意见，也可以积极评论，期待你们的关注。

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