在开关电源、逆变、电机驱动等电路中，随处可见到MOSFET管的身影，如图1所示。由于这些MOSFET管多作为功率管使用，其工作电压高，工作电流大，属于电路的易损元件。为便于检测与代换，有必要对MOSFET管的工作原理与特性进行全面了解。

    一、MOSFET管的种类和结构
    MOSFET管是金属一氧化层半导体场效晶体管（Metal -Oxide -Semiconductor     Field    -EffectTransistor、MOSFET）的简称，是FET管中的一种（另一种是JFET）。常说的功率MOSFET（PowerMOSFET）管是指能输出较大的工作电流（几安到几十安），用于功率输出级的场效应管。
    MOSFET管分为增强型或耗尽型两类，每一类型又有P沟道与N沟道之分。在实际应用中，只有增强型的N沟道MOS管（常简称为NMOS管）和增强型的P沟道MOs管（常简称为PMOS管），常见的电路符号如图2所示。在这两种增强型MOS管中，用得最多的是NMOS管，如开关电源中的开关管、电机驱动电路中的驱动管等，究其原因，是因为NMOS管的导通电阻小（可低至1mΩ），耐压高（可高达1000v），且制造成本低。

    N沟道增强型MOSFET的结构剖面图如图3所示，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（Si02）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，并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）。

    从图3中可以看出：衬底与S极在内部连接在一起，G极与D极、S极之间是绝缘的。另外，D极与S极之间有一个PN结，即D极和S极之间有一只寄生二极管。这只二极管常称作体二极管，在驱动感性负载（如电机）时，这只二极管就显得很重要。
    为了改善MOs管的某些参数特性，如提高工作电流，提高工作电压，降低导通电阻，或提高开关特性等，这时会在结构与制造工艺上有所变化，从而得到所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。
    值得一提的是，由于制造工艺的问题，MOs管的三个管脚之间存在寄生电容。MOs管的驱动，实际上就是对寄生电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因此在选择或设计MOs管的驱动时，要确保其能提供较大的瞬间充电电流。

    二、MOSFET管的工作原理
    要使增强型N沟道MOSFET管工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS、才会产生正向工作电流ID，如图4所示。

    若先不接VGS电压，即VGS=0V，在D、S极间加一正电压VDS、漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此D、S极不导通。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS，此时可以将G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。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，此时的P型衬底常称作反型层。
    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，这时D、S极间仍然无电流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，从而形成N沟道。这个临界电压称为开启电压（又称阈值电压、门限电压），用符号“VT”表示（一般规定在ID=10VA时的VGS为VT）。若VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，导通电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系，如图5所示。因此在一定范围内，改变VGS可控制D、s极间的导通电阻，达到控制ID的目的。

    从上面分析可知，由于这种结构在VGS=0V时，ID=0，因此称这种MOSFET管为增强型。对于耗尽型另一类MOSFET管而言，在VGS=0时，ID并不为。。
    对于增强型P沟道MOSFET管工作，要在G、S之间加上负电压，即VGS小于0V，并在S、D极之间加正电压，才会产生正向工作电流。
    提示：不管是NMOS管还是PMOS管，导通后都存在导通电阻，这样电流就会在导通电阻上消耗能量，这部分能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOs管会减小导通损耗。现在的功率率MOSFET管导通电阻均很小，一般为几毫欧姆或几十毫欧姆。

    三、MOSFET管的开关特性
    对于MOSFET管而言，由于其导通电阻很小，因此其工作状态可近似等效于开关状态，其导通就相当于开关闭合，截止就相当于开关断开。对于常见的NMOS管，只要VGS电压达到4V或10V就会导通，非常适合于S极接地的驱动电路（低端驱动）；对于PMOS管，只要VGS低于一定的值就会导通，适用于S极接VCC时的电路（高端驱动）。虽然PMOS管可以很方便地用作高端驱动，但由于其导通电阻大、价格高、替换种类少等原因，所以在很多高端驱动中还是使用NMOS管。下面以NMOS管为例说明其开关特性。
提示：上述4V或10V是常用NMOS管的导通电压。在12V供电系统中，一般为4V；在高于12V的供电系统中，一般为10V。
    1．静态特性
    当VGS＜开启电压VT时，MOs管工作在截止区，MOs管处于“断开”状态，IDS约为0，输出电压UDS约等于VCC，如图6所示。当VGS>开启电压VT时，MOs管工作在导通区，漏源电流IDS=VCC/（RD＋rDS）。其中，rDS为MOs管导通时的漏源电阻。输出电压UDS =VCC xrDS/（RD ＋rDS），如果。S远小于RD，则UDS接近0V，相当于MOs管处于“接通”状态。

    2．动态特性
    MOs管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很短的。
    当输入电压Ui由高变低，MOs管由导通状态转换为截止状态时，电源VCC通过RD向杂散电容CL充电，如图7所示，充电时间常数π1=RDCL，即输出电压Uo要经过一定延时才由低电平变为高电平，如图8所示。当输入电压u1由低变高，MOs管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数T2 ≈ rDSCL，即输出电压U。也要经过一定延时才能转变成低电平。由于rDS比RD小得多，所以由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。



    从图8可以看出，MOs管在导通和截止的时候，不是在瞬间完成的，在从截止变为导通时，其两端电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程；在从导通变为截止时，其两端电压有一个上升的过程，流过的电流有一个下降的过程。在这个过程中，其电压与电流的乘积称作MOs管的开关损失。开关频率越高，损失也越大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。
    提示：用于高端驱动的NMOS管在导通时需栅极电压大于源极电压。在常见的电路中，由于NMOS管导通后，源极电压约等于漏极上所加的供电电压VCC，即这时栅极电压要比VCC高4V或10V，这就需要设计专门的升压电路。因此，很多功率MOSFET管驱动集成块中都内置有电荷泵，并外接合适的电容，以得到符合要求的VGS电压。

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