【導讀】金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 是一種場效應晶體管 (FET) 電子器件。它可以充當壓控電流源，並主要用作開關或用於放大電信號。MOSFET的控製是通過向柵極施加特定的電壓來進行的。當MOSFET導通時
，電流通過在 體區（稱為bulk或body）中形成的溝道
，從MOSFET的漏極流向源極。大多數情況下，MOSFET的 體區與源極連接，這也是為什麼MOSFET通常被稱為3引腳器件的原因。

MOSFET的工作原理

金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 是一種場效應晶體管 (FET) 電子器件。它可以充當壓控電流源，並主要用作開關或用於放大電信號。MOSFET的控製是通過向柵極施加特定的電壓來進行的。當MOSFET導通時，電流通過在 體區（稱為bulk或body）中形成的溝道
，從MOSFET的漏極流向源極。大多數情況下，MOSFET的 體區與源極連接
，這也是為什麼MOSFET通常被稱為3引腳器件的原因。

圖1: MOSFET

P溝道MOSFET與N溝道MOSFET

MOSFET是一種半導體器件，主要采用P型或N型矽製造。這兩種矽類型之間的區別在於摻雜離子中存儲的電荷。摻雜離子為帶電粒子，注入矽中以產生電荷不穩定性
，使元件可用於 導電用途。如果矽區域中摻雜了具有五價電子（元素周期表中的第V族）的離子，那麼就會有一個額外的電子被釋放到半導體中，因此電荷總體為負（N 型）。它(ta)們(men)貢(gong)獻(xian)了(le)一(yi)個(ge)電(dian)子(zi)
，因(yin)此(ci)矽(gui)中(zhong)的(de)這(zhe)些(xie)雜(za)質(zhi)被(bei)稱(cheng)為(wei)施(shi)體(ti)雜(za)質(zhi)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，在(zai)價(jia)帶(dai)中(zhong)具(ju)有(you)三(san)個(ge)電(dian)子(zi)的(de)元(yuan)素(su)將(jiang)缺(que)少(shao)一(yi)個(ge)電(dian)子(zi)

，這(zhe)相(xiang)當(dang)於(yu)貢(gong)獻(xian)了(le)一(yi)個(ge)空(kong)穴(xue)，意(yi)味(wei)著(zhe)總(zong)電(dian)荷(he)為(wei)正(zheng)（P型）。這些雜質被稱為受體雜質。圖2顯示了P型和N型半導體摻雜物的差異
，以及它們對矽結構的影響。

圖2: 摻雜物-施體或受體雜質

最簡單的 MOSFET 結構由一個襯底（可以是P型或者N型）和兩個與 體區極性相反的矽區域組成，它們構成了漏極和源極（見圖3）。MOSFET可以構建為具有P型襯底和N型漏極與源極區域，這意味著，要使電流從漏極流向源極
，溝道也必須為N型。這種結構被稱為N溝道MOSFET，或NMOS晶體管。反之，如果襯底為N型，則溝道為P型，稱為P溝道MOSFET，或PMOS晶體管。

圖3: MOSFET結構

增強型MOSFET和耗盡型MOSFET

MOSFETdemingchenglaiyuanyukongzhitamendejiegou。qizhajiyinjiaolianjiedaodaodiandianji，erdaodiandianjitongguoeryanghuaguicenghuolingyizhongjueyuancailiaoyuchendigekai。yinci，dangxiangzhajishijiadianyashi

，jinshuzhajihuichanshengdianchang，bingtongguoyanghuacengchuandidaoguichendi（金屬-氧化物-半導體）。電場會對襯底半導體中的自由電荷載流子（例如空穴或電子）產生影響
，並將它們拉近至柵極以形成溝道，或將它們推開以破壞溝道。

當電場施加到半導體上時，它會作用於器件的自由電荷載流子。均勻分布在整個半導體中的自由電子會被吸引到電場的入口點（對具有正柵極電壓的MOSFET而言
，該入口點為柵極）。而空穴將被拖向與電子相反的電場方向（見圖 4）， 這稱為載流子漂移，邏輯上它會改變半導體內的電荷濃度分布。

圖4: 半導體中的載流子漂移

MOSFET的主要目的是控製漏極與源極之間的溝道形成

，它通過將正確的載流子集中在最靠近柵極的區域來形成或者破壞溝道。因此，MOSFET又可以分為兩個基本組別：耗盡型MOSFET和增強型MOSFET。

耗盡型MOSFET具有一個預生成的溝道（見圖 5）。當電壓施加到柵極時
，電場將溝道中的載流子推出並耗盡。因此，耗盡型 MOSFET 可以等同於常閉合開關。

而增強型MOSFET中的溝道僅在施加柵極電壓時才形成
，而且會吸引電荷並增強溝道區。這種MOSFETkeshiweichangkailukaiguan
，zaidianziyingyongzhongzuiweichangjian。yinweiruguoduandian，kaiguanguanbi，dianliujiangtingzhizaidianluzhongliudong，congerbimianlebushoukongdecaozuo，bingtigaoledianluanquanxing。benwenyixiadeneirongjiangjinshejizengqiangxingN溝道MOSFET。

圖5: 耗盡型MOSFET

圖6: 增強型MOSFET

MOSFET的工作區

基於以上解釋
，可以明顯看出，MOSFET工作中最重要的一個因素是施加到柵極上的電壓。事實上，MOSFET 的工作是由 MOSFET柵極和源極之間的電壓（VGS）定義的。圖7顯示了VGS 如何影響流過MOSFET的電流。在增強型N溝道 MOSFET中，當柵極和源極之間沒有施加電壓時，溝道就不存在。這個工作區被稱為截止區；當晶體管處於此工作區時
，沒有電流從漏極流向源極，這意味著MOSFET的行為就如同一個開路開關。

隨著柵極電壓的增加，溝道開始形成，但直到達到某個電壓水平（稱為閾值電壓）
，漏極和源極之間才會導通。一旦達到閾值電壓，電流就開始流過MOSFET。該區域被稱為飽和區，此時MOSFETxiangdangyuyigeyakongdianliuyuan。suizhezhajidianyazengjia，liuguokaiguandedianliuyehuizengjia。baohequzhuyaoyongyuxinhaofangda

，yinweizhajizhongweixiaodedianyabianhuadouhuidaozhishuchudianliudejiaodabianhua（見圖 7）。最後輸出的電流可以用來改變電阻器兩端的電壓，這也是共源放大器的基本工作原理。

圖7: 漏電流和柵極電壓

隨sui著zhe柵zha極ji電dian壓ya的de不bu斷duan增zeng加jia
，溝gou道dao也ye會hui增zeng強qiang。在zai飽bao和he區qu時shi，溝gou道dao還hai沒mei有you完wan全quan連lian接jie漏lou源yuan區qu，因yin此ci漏lou極ji和he源yuan極ji之zhi間jian的de電dian壓ya對dui操cao作zuo沒mei有you太tai大da的de影ying響xiang。然ran而er
，一yi旦dan溝gou道dao增zeng強qiang到dao足zu以yi連lian接jie漏lou極ji和he源yuan極ji（此時的電壓稱為夾斷電壓
，它是飽和區的上限）
，MOSFET溝道就完全增強，晶體管表現為完全閉合的開關。

從此時開始
，由於漏極與源極之間存在電壓損耗，MOSFET可以被視為一個電阻（RDS(ON)）。這個新的工作區被稱為歐姆區或線性區，在此區域
，MOSFET上的電流增加，並與施加在MOSFET漏極和源極之間的電壓成線性比例，當然，它仍然受到柵源電壓的限製（見圖 8）。

圖8: 漏電流和漏源電壓

通過圖8可以深入了解不同工作區對不同應用的用處。如前所述，飽和區最適於放大信號
，因為在相同的VDS條件下，柵極電壓的微小變化都會導致較大的電流變化。不過，由於MOSFET 的功耗由電流和MOSFET兩端電壓 (VDS) 的乘積定義，因此，飽和區在功效方麵表現也是最差的，因為它具有明顯的電流和漏源電壓。

當 MOSFET 用於開關應用時，則必須確保MOSEFT僅作為全開開關或全閉開關工作，以減少功耗。換句話說

，它必須僅工作於截止區或線性區，並盡可能避免進入飽和區。

功率MOSFET中的寄生元件

對(dui)任(ren)何(he)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)而(er)言(yan)，了(le)解(jie)它(ta)所(suo)包(bao)含(han)的(de)寄(ji)生(sheng)元(yuan)件(jian)都(dou)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，寄(ji)生(sheng)元(yuan)件(jian)是(shi)在(zai)器(qi)件(jian)結(jie)構(gou)中(zhong)無(wu)意(yi)產(chan)生(sheng)的(de)組(zu)件(jian)。上(shang)文(wen)實(shi)際(ji)上(shang)已(yi)經(jing)涵(han)蓋(gai)了(le)其(qi)中(zhong)之(zhi)一(yi)，即(ji)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)
，但(dan)MOSFET 結構中還含有其他寄生組件（參見圖9和圖10）。

MOSFET中出現的其他無源元件主要包括晶體管結構產生的各種電容。寄生電容有很多，但主要需要考慮的是在柵極和漏極之間
、以及在柵極和源極之間形成的電容。這些電容限製了器件能夠達到的最大開關頻率。 

除了這些無源元件之外
，源極
、 體區和漂移區形成的N+-P-N- 結會形成雙極結型晶體管（BJT）。這種晶體管對 MOSFET 的安全運行至關重要。如果它意外導通，將導致MOSFET進入“閂鎖”狀態
，從而極大地降低最大阻斷電壓。如果超過該電壓
，BJT會導致器件雪崩擊穿，在沒有限製電流時可能會損壞器件。因此
，必須讓基極（體區）電壓盡可能接近發射極（源極）電壓，以使BJT始終關斷。這也是功率MOSFET中源極和基極幾乎總是短路的原因。而且
，源極和體區短路會形成一個二極管
，稱為體二極管。它不像BJT那樣會存在問題，在某些應用中甚至還很有用。

圖9: 功率MOSFET中的寄生元件

圖10: 寄生電容

功率 MOSFETs

在電源應用設計中采用MOSFET的目的之一是確保電源可以在高壓下工作
，這也意味著它可以在需要時阻斷高電壓，而不會被擊穿。這一點是通過在漏極的N-Si和體區的P-Si之間形成的二極管效應來實現的。在偏置下
，漏- 體PN結就如同一個反向偏置二極管
，它形成空間電荷區 (SCR) 並阻斷電壓。偏置電壓越高
，阻斷電壓所需的空間電荷區就越大。如果電壓足夠高，SCR將可能穿透漏極和源極之間的空間，從而導致MOSFET導通，這被稱為反向擊穿。因此
，在高電壓下工作的關鍵似乎是擁有一個非常長的MOSFET溝道。然而
，製造更長的晶體管並不是一個可行的選擇，原因如下：

•效率：更長的溝道意味著更高的RDS(ON)，這會導致更高的導通損耗。

•尺寸：更長的溝道將占用更多空間，會降低MOSFET的集成能力。 

基於以上原因
，功率MOSFET並非采用我們習慣看到的傳統MOSFET結構來構建（見圖 5），而是采用垂直結構構建，其源極和柵極在頂板上
，漏極在底部（見圖 11）。

由於晶體管的深度不會帶來製造上的問題，因此耗盡區可以根據需要盡可能長
，而這也隻會增加導通損耗。通過將MOSFET 漏極連接到整個金屬背板上，可以更容易地將這些MOSFET並聯以提高電流能力。

圖11: 垂直MOSFET結構

如前所述，MOSFET 晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)主(zhu)要(yao)能(neng)量(liang)損(sun)耗(hao)來(lai)自(zi)開(kai)關(guan)或(huo)導(dao)通(tong)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)快(kuai)速(su)開(kai)關(guan)晶(jing)體(ti)管(guan)並(bing)采(cai)用(yong)軟(ruan)開(kai)關(guan)可(ke)以(yi)最(zui)小(xiao)化(hua)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，但(dan)減(jian)少(shao)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)則(ze)幾(ji)乎(hu)完(wan)全(quan)取(qu)決(jue)於(yu)MOSFET的結構
，尤其取決於導通電阻，即RDS(ON)。

導通電阻的值取決於溝道的長度和半導體的載流子濃度。當然，電壓越高，電場愈強，耗盡區也更大（見圖12）。由(you)於(yu)耗(hao)盡(jin)區(qu)不(bu)能(neng)貫(guan)穿(chuan)整(zheng)個(ge)溝(gou)道(dao)，因(yin)此(ci)深(shen)度(du)必(bi)須(xu)加(jia)大(da)。然(ran)而(er)，增(zeng)加(jia)半(ban)導(dao)體(ti)長(chang)度(du)對(dui)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)又(you)會(hui)產(chan)生(sheng)顯(xian)著(zhu)的(de)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)，因(yin)此(ci)，穿(chuan)通(tong)半(ban)導(dao)體(ti)應(ying)運(yun)而(er)生(sheng)。

在這種類型的半導體器件中
，漏極中的 N 區被分成兩個不同摻雜密度的部分：具有很高摻雜密度的N+區
，以及稱為漂移層的低密度區。由於兩個區域之間存在摻雜梯度，反向偏置產生的電場不再是三角形。相反
，它可以“穿通”漂移區的限製，形成一個矩形（見圖13）。這樣

，器件將允許更高的最大阻斷電壓，而不必增加溝道長度。 

不過
，漂移層的低摻雜濃度對該區的半導體電導率有負麵影響，這限製了對導通電阻的影響。

圖12: 非穿通半導體

圖13: 穿通半導體

MOSFET安全工作區（SOA）

與所有器件一樣，MOSFET 也對其工作條件有所限製。這些限製條件主要與它們在擊穿前可以工作的最大電壓和電流組合有關。為了更好地體現這些限製，大多數MOSFET數據表都會提供安全工作區 (SOA) 圖表（參見圖 14）。

圖14: MOSFET 安全工作區（SOA）

安全工作區的上限取決於可以流經設備的最大電流。最大電流受器件RDS(ON)的限製
，因為流經MOSFET溝道（以及電阻）的電流會產生熱量
，可能會導致器件損壞。

SOA 的垂直右側限製由MOSFET可以阻斷但不會擊穿並導致導通的最大電壓來決定。這取決於MOSFET的結構
、溝道長度和製造中使用的材料，如上節內容所述。

SOA 右上角的對角線限製代表 MOSFET 在飽和區維持工作的能力。開關中的電流和電壓組合主要出現在飽和狀態下，此時，MOSFET消耗功率

，然後必然以熱量的形式耗散。如果MOSFET上的電流和電壓乘積過高，過多的熱量將可能損壞器件。 

SOA 右上角的幾條線表示功耗限製。這些線顯示出
，MOSFET的耗散限製隨晶體管發現自身處於飽和狀態的時間百分比而變化。

如果 MOSFET 處於直流電壓下，則MOSFET上會有恒定的電流和電壓，器件也會持續發熱，這極大地限製了其耗散所產生能量的能力。但是，如果MOSFET導dao通tong和he關guan斷duan，則ze器qi件jian僅jin在zai一yi小xiao段duan時shi間jian內nei發fa熱re，因yin此ci可ke以yi承cheng受shou更geng高gao的de電dian流liu和he電dian壓ya。保bao持chi導dao通tong的de時shi間jian越yue短duan，電dian壓ya和he電dian流liu就jiu可ke以yi越yue高gao，此ci時shi僅jin受shou最zui大da電dian流liu和he電dian壓ya的de限xian製zhi。

結論

MOSFET幾乎是所有電子係統不可或缺的組成部分。這推動了MOSFET結構的不斷創新，新材料不斷出現，電路設計不斷克服當前的物理限製

，晶體管也變得越來越小。MPS在該領域做出了極為重要的突破，其電源轉換模塊具有的電源開關可以承受高達100A的連續輸出電流
，例如MPM3695-100。要了解更多信息，請訪問MPS官網，並參閱相關技術文章, 參考設計, 和應用說明。

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

麵向電源電路的MLCC解決方案

電源轉換模塊的優勢和應用

高效電源設計的實時數字解決方案（第二部分）

交流/直流電源介紹

物聯網動力的新標準