MOSFET：原理、类型与应用电路揭秘

MOSFET，全称为 Metal - Oxide - Semiconductor Field - Effect Transistor，即金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种极为重要的半导体器件。它利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路的电流，故而被称作场效应晶体管。MOSFET 主要由源极（Source）、栅极（Gate）、漏极（Drain）和主体（Body）四个端子构成，通常主体会与源极端子相连，形成三端子器件。

MOSFET 本质上是一种利用场效应的晶体管，其栅极电压能够决定器件的电导率。通过改变栅极电压，就可以改变电导率，因此它既可以像晶体管一样用作开关，也能作为放大器使用。与双极结型晶体管（BJT）不同，BJT 有基极、发射极和集电极，且需要电流才能工作；而 MOSFET 具有栅极、漏极和源极连接，工作时仅需电压。MOSFET 拥有非常高的输入阻抗，并且很容易进行偏置，对于线性小型放大器而言，是绝佳的选择。当将 MOSFET 偏置在饱和区（中心固定 Q 点）时，就会实现线性放大。

MOSFET 的种类丰富多样。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和增强型。在功率 MOSFET 中，N 沟道增强型是主要类型。而且，MOSFET 尺寸极小，既能够作为核心，也可以设计制造在单个芯片中成为集成电路。

P 沟道 MOSFET

沟道主要由空穴形式的电荷载流子组成的 MOSFET 被称为 P 沟道 MOSFET。当该 MOSFET 被激活时，大多数电荷载流子（空穴）会在整个沟道中移动。它与 N 沟道 MOSFET 不同，N 沟道 MOSFET 中的大多数电荷载流子是电子。增强模式和耗尽模式下的 P 沟道 MOSFET 符号各有特点。P 沟道 MOSFET 包含一个 P 沟道区域，布置在源极（S）和漏极（D）两个端子之间，主体是 n 区域。它同样有源极、漏极和栅极三个端子，源极和漏极端子均采用 p 型材料重掺杂，衬底类型为 n 型。由于 P 沟道 MOSFET 中的大多数电荷载流子是空穴，与 N 沟道 MOSFET 中使用的电子相比，其迁移率较低。并且，在 P 沟道中，需要从 Vgs（栅极端子到源极）施加负电压才能激活 MOSFET，而 N 沟道则需要正 VGS 电压，这使得 P 沟道型 MOSFET 成为高侧开关的理想选择。当在其栅极端子施加负（ - ）电压时，氧化层下方的电荷载流子（电子）会被向下推入衬底中，空穴占据的耗尽区与施主原子相连，负（ - ）栅极电压会将空穴从漏极区域和 p + 源极吸引到沟道区域。

N 沟道 MOSFET

一种 MOSFET 沟道由大多数电荷载流子（如电子）作为电流载流子组成的 MOSFET，被称为 N 沟道 MOSFET。当该 MOSFET 导通时，大多数电荷载流子会在整个通道中移动，与 P 沟道 MOSFET 形成鲜明对比。N 沟道 MOSFET 的符号有其特定标识，它包括源极、漏极和栅极三个端子，对于 n 沟道 MOSFET，箭头符号方向为向内，该箭头符号可指定通道类型（P 通道或 N 通道）。其基本内部结构中，MOSFET 有漏极、栅极和源极三个连接，门和通道之间不存在直接连接，栅电极是电绝缘的，所以有时也被称为 IGFET 或绝缘栅场效应晶体管。它包含 N - 沟道区，位于源极和漏极端子的中间，是一个三端器件，源极和漏极是重掺杂的 n + 区域，主体或衬底是 P 型。当电子到达时会创建通道， + ve 电压会将电子从 n + 源极和漏极区域吸引到沟道中。一旦在漏极和源极之间施加电压，电流就会在源极和漏极之间自由流动，栅极处的电压仅控制沟道内的电荷载流子电子。若在栅极端子施加 –ve 电压，则在氧化层下方会形成空穴沟道。

MOSFET 的应用电路

简单的 MOSFET 开关电路

N 沟道 MOSFET 和 P 沟道 MOSFET 有最简单的配置。MOSFET 栅极通过电源电压能快速充电从而打开。然而，打开 MOSFET 后若不管栅极，一旦电源从栅极移除，MOSFET 仍会保持导通状态。这是因为栅极如同普通电容器一样会保留电荷，直到电荷被移除或通过非常小的栅极漏电流泄漏出去。为消除这些电荷，需对栅极进行放电，可将栅极连接回源极端子。但如果驱动电路使栅极保持浮动，杂散电荷在栅极中积累到使栅极电压超过阈值时，MOSFET 会意外导通，这可能损坏下游电路。所以，栅极和源极之间经常会设置下拉 / 上拉电阻，当栅极电压被移除时，该电阻会从栅极移除电荷。无论驱动器类型如何，最好都添加一个上拉 / 下拉电阻，阻值一般为 10K 较为合适。

MOSFET 栅极驱动和保护电路

MOSFET 的栅极十分敏感，因为将栅极与沟道绝缘的氧化层非常薄，大多数功率 MOSFET 的额定栅源电压仅为 ±20V。因此，在栅极上安装齐纳二极管是很好的预防措施。由于栅极电容与引线电感相结合会导致开关时产生振铃，可通过添加与栅极串联的小电阻（约 10Ω）来减轻振铃。最终的 MOSFET 栅极电路有其特定的设计。MOSFET 的栅极通常除小漏电流外不会吸取任何电流，但在需要快速打开和关闭的开关应用中，栅极电容必须快速充电和放电，这就需要一些电流，此时需要栅极驱动器，它可以采用分立电路、栅极驱动 IC 或栅极驱动变压器的形式。

MOSFET 凭借其独特的性能和多样的应用电路，在电子领域发挥着至关重要的作用，随着技术的不断发展，其应用前景也将更加广阔。