MOSFET是什么？如何選擇MOSFET？

金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor , MOSFET）憑借其通用性和廣泛用途躋身于最受歡迎的晶體管之列。本指南將詳述這類晶體管的工作機(jī)制，并提供關(guān)于使用和選擇恰當(dāng)MOSFET類型的實(shí)用建議。

主要的晶體管類型

晶體管主要有兩種。一種是雙極結(jié)型晶體管（BJT），另一種是場效應(yīng)晶體管（FET）。MOSFET屬于一種場效應(yīng)晶體管。BJT通常用于1安培以下電流；MOSFET通常用于較大電流應(yīng)用。

MOSFET有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。耗盡型的工作原理類似于閉合開關(guān)，加正電壓則產(chǎn)生工作電流，加負(fù)電壓以后工作電流停止。而增強(qiáng)型MOSFET是現(xiàn)代應(yīng)用常用的一種類型。

什么是MOSFET？

金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（簡稱MOSFET）是一種數(shù)字和模擬電路中通用的半導(dǎo)體，同時(shí)也是一種有用的功率器件。作為一種原始的緊湊型晶體管，MOSFET適用于廣泛的電氣應(yīng)用。

一直以來，人們普遍認(rèn)為如果沒有MOSFET，21世紀(jì)許多的技術(shù)進(jìn)步都無法實(shí)現(xiàn)。MOSFET用途較BJT更為廣泛，原因在于它所需的負(fù)載電流控制電流很小。增強(qiáng)型MOSFET的電導(dǎo)率可在“常閉”狀態(tài)下增加。通過柵極傳輸?shù)碾妷嚎梢允埂俺ｉ_”狀態(tài)下的電導(dǎo)率降至最低。MOSFET的小型化過程相對簡單，可有效縮小，用于緊湊型應(yīng)用。

MOSFET的其他優(yōu)勢包括：快速切換（特別是關(guān)于數(shù)字信號）、最小功耗以及高密度電容，這一點(diǎn)使它成為大規(guī)模集成的理想應(yīng)用。

MOSFET是集成電路的核心組件，憑借其小型化可在一個(gè)單芯片中完成設(shè)計(jì)制造。集成電路芯片上的MOSFET為四端元件，分別為源極（S）、柵極（G）、漏極（D）和基極（B）。基極通常與源級連接，從而使MOSFET發(fā)揮場效應(yīng)晶體管功能。

MOSFET的工作原理和用途

MOSFET有三個(gè)極，分別是源極（S）、柵極（G）和漏極（D）。它們能有效控制源極和漏極觸點(diǎn)之間的電流流動(dòng)，通過柵極加電壓。可通過改變電壓使電通道出現(xiàn)或消失；相應(yīng)地，也能使電氣元件接通或關(guān)閉。使用半導(dǎo)體可使不同類的雜質(zhì)隔離。這意味著攜帶不同信號的電荷可有效隔絕，形成障壁，阻止電荷的區(qū)域間流動(dòng)。

電流從柵極到源極的傳遞將導(dǎo)致電流從漏極流向源極。當(dāng)沒有電流通過或通過電流較小時(shí)，漏極-源極電阻勢必會很大。但應(yīng)當(dāng)明確，微控制器工作電壓為5v或3.3v時(shí)，與微控制器配套的MOSFET可能需要10-15的柵極和源極電勢差，以使漏極和源極之間電阻達(dá)到最低水平。

MOSFET柵極和源極之間的電容可防止不同狀態(tài)間的迅速切換。內(nèi)部電容上電壓的快速變化需要大電流。它必須在變化（源極）和放電（槽）之間進(jìn)行自動(dòng)切換。柵極所加電壓的改變會導(dǎo)致漏極和源極間電阻的同時(shí)改變。電壓的高低將與電阻的大小直接相關(guān)。功率MOSFET針對大功率級應(yīng)用設(shè)計(jì)。

MOSFET晶體管的不同類型

PMOS邏輯

如前所述，MOSFET的集成實(shí)現(xiàn)了相較于BJT的高電路效率。P通道MOSFET能夠與PMOS邏輯一同實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路和邏輯門。

NMOS邏輯

除了N通道MOSFET應(yīng)用于邏輯門和相關(guān)數(shù)字電路之外，NMOS邏輯和PMOS邏輯類似。一般情況下，N通道MOSFET可能比P通道MOSFET更小型，從而在某些情況下更具吸引力。但NMOS邏輯有持續(xù)功耗，而PMOS邏輯沒有。

CMOS邏輯

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯是一種集成電路生產(chǎn)技術(shù)。此類電路廣泛應(yīng)用于各種電氣組件，并能發(fā)電。P通道和N通道MOSFET均與互聯(lián)的柵極和漏極聯(lián)用，從而降低功耗，減少余熱產(chǎn)生。

耗盡型MOSFET器件

耗盡型MOSFET器件在MOSFET器件中較不常見。耗盡型MOSFET器件通道電阻小，一般認(rèn)為通道“開啟”。當(dāng)設(shè)定為無功耗狀態(tài)時(shí)，這些開關(guān)將根據(jù)自身設(shè)計(jì)工作。通道電阻呈線性關(guān)系，在信號幅度范圍內(nèi)失真低。

MISFETs

所有MOSFET均屬于MISFET（金屬絕緣層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），但并非所有的MISFET均屬于MOSFET。這類組件內(nèi)的門邏輯絕緣層為MOSFET中所用的二氧化硅，但也可能使用其他材料。門邏輯位于柵極下方，MISFET通道上方。

浮柵MOSFET（FGMOS）

浮柵MOSFET有一個(gè)額外的電絕緣浮柵。它能在直流電中生成一個(gè)浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在浮柵上方生成一系列輔助柵輸入。在其眾多用途中，F(xiàn)GMOS通常用作浮柵存儲單元。

功率MOSFET

功率MOSFET為垂直結(jié)構(gòu)，而非平面結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)使功率MOSFET能同時(shí)保持高阻塞電壓和高電流。該晶體管的額定電壓與N溝道外延層的摻雜和厚度直接相關(guān)，額定電流由通道寬度決定。組件區(qū)域和這類器件維持的電流大小間也有直接的聯(lián)系。功率MOSFET具有低柵驅(qū)動(dòng)功能、迅速的切換速度和先進(jìn)的并聯(lián)功能。

DMOS

功率MOSFET是雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體，有橫向和縱向兩種。大多數(shù)功率MOSFET利用該技術(shù)構(gòu)造。

MOS電容器

這類電容器結(jié)構(gòu)同MOSFET，且MOS電容器兩側(cè)有雙P-N端。MOS電容器通常用作內(nèi)存芯片存儲電容器并為圖像傳感器技術(shù)中的電荷耦合元件（CCD）提供支持。

TFT

薄膜晶體管（TFT）是一種特殊的MOSFET。其中的不同之處在于薄膜晶體管（TFT）涉及半導(dǎo)體薄膜，以及邏輯層和金屬觸點(diǎn)在支撐基板上的沉積。使用的半導(dǎo)體材料各式各樣，其中硅較為常用。它可以做到高透明度，用于生產(chǎn)視頻顯示面板。

雙極MOS晶體管

BiCMOS是一種集BJT和CMOS晶體管于一個(gè)單芯片上的集成電路。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功能類似于MOSFET和雙極結(jié)型晶體管（BJT）。

MOS傳感器

當(dāng)前已成功研發(fā)出一系列MOS傳感器，可精確測量物理、化學(xué)、生物和環(huán)境變量。開柵FET（OGFET）、離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFET）、氣體傳感器FET、電荷流動(dòng)晶體管（CFT）及酶場效應(yīng)晶體管等都屬于MOS傳感器。電荷耦合元件（CCD）和有源像素傳感器（CMOS傳感器）等常用于數(shù)字成像。

多柵極場效應(yīng)晶體管

雙柵MOSFET有四極管配置，電流大小由兩個(gè)柵極控制。雙柵MOSFET常用于射頻應(yīng)用中的小信號器件，降低與密勒效應(yīng)相關(guān)的增益耗損。這一點(diǎn)當(dāng)共源共柵配置中的單獨(dú)晶體管更換時(shí)可實(shí)現(xiàn)。

RHBD

這種環(huán)形柵晶體管常用于制作抗輻射加固設(shè)計(jì)（RHBD）器件。MOSFET的柵極通常圍繞著漏極。漏極靠近ELT的中心。如此，MOSFET的源極圍繞柵極。H柵極是另一種類型的MOSFET，確保低輻射泄露。

MOSFET的應(yīng)用和使用

如前所述，MOSFET是一種用于切換或放大電信號的器件。這些可通過改變電導(dǎo)率大小實(shí)現(xiàn)，而電導(dǎo)率大小的改變可通過改變施加電壓的大小實(shí)現(xiàn)。

MOSFET是數(shù)字電路中使用較普遍的晶體管，在存儲芯片或微處理器中可實(shí)現(xiàn)百萬級的集成。此外，MOSFET晶體管還普遍用作壓控電路開關(guān)。人們認(rèn)為正是MOSFET的出現(xiàn)促成了一系列科技設(shè)備的研發(fā)，如袖珍計(jì)算器和數(shù)字腕表。

MOS集成電路

MOSFET是一類受歡迎的晶體管，也是集成電路芯片進(jìn)行電氣運(yùn)行的基本元件。它不需要像雙極晶體管那樣通過一系列步驟來完成芯片上的P-N端隔離。相反，它們確實(shí)保證了相對容易的隔離。

CMOS電路

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是一種集成電路開發(fā)技術(shù)。該技術(shù)用于生產(chǎn)集成電路（IC）芯片，如微處理器、微控制器、存儲芯片和其他數(shù)字邏輯電路。它還是開發(fā)模擬電路的基本組件。模擬電路包括圖像傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、射頻電路以及用于數(shù)字通信的集成發(fā)射機(jī)。

CMOS的關(guān)鍵特性包括高抗干擾性及控制在最低水平的靜態(tài)功耗。與其他的邏輯形式（如NMOS邏輯或晶體管-晶體管邏輯）相比，這類器件將產(chǎn)生最低的余熱。這些特性使它具備集成高密度芯片邏輯的功能。

模擬開關(guān)

MOSFET用于數(shù)字電路集成的優(yōu)勢遠(yuǎn)超其用于模擬集成的優(yōu)勢。晶體管的行為在不同情況下均有差異。大多數(shù)時(shí)候數(shù)字電路可完全開啟或關(guān)閉。速度和電荷是兩個(gè)影響切換過程的主要因素。當(dāng)微小電壓變化可能改變輸出（漏極）電流時(shí)，必須確保模擬電路過渡區(qū)的功能。

由于相關(guān)方面的優(yōu)勢，MOSFET仍集成于各類模擬電路。它的相關(guān)優(yōu)勢包括可靠性、零柵電流以及較高的可調(diào)輸出阻抗。通過改變MOSFET的大小還可改變模擬電路的特性和性能。憑借其柵極電流（零）和漏極-源極偏移電壓（零），MOSFET還是開關(guān)的理想之選。

電力電子設(shè)備

MOSFET應(yīng)用于廣泛的電力電子設(shè)備?？捎糜陔姵胤唇颖Ｗo(hù)、交流電源間的切換電源以及無用負(fù)載的斷電。緊湊型MOSFET的主要特性包括占用空間小、電流大以及集成ESD保護(hù)。此外，普遍認(rèn)為MOS技術(shù)的開發(fā)是促成電信網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)帶寬集成的主要原因之一。

MOS存儲器

MOSFET的發(fā)展推動(dòng)了MOS晶體管在存儲單元存儲中的便捷應(yīng)用。MOS技術(shù)是DRAM（動(dòng)態(tài)訪問隨機(jī)存儲器）的重要組成部分。它性能優(yōu)越、功耗極低，與磁心存儲器相比相對實(shí)惠。

MOSFET傳感器

MOSFET傳感器又叫MOS傳感器，常用于測量物理、化學(xué)、生物以及環(huán)境參數(shù)。此外，因其可實(shí)現(xiàn)化學(xué)、光和運(yùn)動(dòng)等元素交互及處理，MOSFET傳感器還集成于微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)。MOS技術(shù)還可應(yīng)用于圖像傳感，可集成于電荷耦合元件和有源像素傳感器。

量子物理學(xué)

量子場效應(yīng)晶體管（QFET）和量子阱場效應(yīng)晶體管（QWFET）均屬M(fèi)OSFET，它們利用量子隧穿效應(yīng)加快晶體管的工作速度。通過移除導(dǎo)電區(qū)域電子可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，最終載流子速度顯著減慢。此類量子器件的工作依賴于快速熱處理（RTP）過程，使用非常精細(xì)的構(gòu)建材料。

按安裝類型區(qū)分的MOSFET

以下講解了MOSFET的不同安裝類型。

面板式安裝MOSFET

有多種MOSFET都可用螺絲固定安裝在金屬板或散熱器上。這些增強(qiáng)型MOSFET可實(shí)現(xiàn)大電流條件下快速可靠的切換。

PCB安裝MOSFET

采用PCB安裝設(shè)計(jì)的MOSFET使錯(cuò)誤的熔斷器無法安裝。這種安裝形式還有一個(gè)標(biāo)簽，防止意外誤用。確保了熔斷保護(hù)，防止電路受過電流影響。N通道MOSFET就采用了這種安裝形式，有一個(gè)表面貼裝和端接引線。提供帶式和卷軸式MOSFET?？蓪?shí)現(xiàn)快速切換。

表面貼裝式MOSFET

有多種MOSFET均采用表面貼裝，可實(shí)現(xiàn)快速便捷的PCB組裝。這些小巧的MOSFET既經(jīng)濟(jì)又可靠。N通道ON半導(dǎo)體MOSFET就采用了這種安裝，有效將導(dǎo)通狀態(tài)電阻降至最低，確保了可靠的切換。

插入式封裝MOSFET

采用插入式封裝的MOSFET的管腳穿過PCB的安裝孔焊接在印刷電路板（PCB）上。與表面貼裝式相比，插入式封裝提供相對較強(qiáng)的金屬鍵合。但這類型的MOSFET更適用于大而重的組件，如半導(dǎo)體。

我該如何選擇MOSFET？

首先最重要的一點(diǎn)是必須根據(jù)使用目的選擇恰當(dāng)?shù)腘型或P型MOSFET。MOSFET的工作機(jī)制相當(dāng)于一個(gè)電氣開關(guān)。常規(guī)電力應(yīng)用中的MOSFET接地，引線與干線電壓連接。這種情況下認(rèn)為它是一個(gè)低壓側(cè)開關(guān)，需要安裝一個(gè)N通道MOSFET，必須滿足器件開關(guān)所需的電壓傳輸。當(dāng)高壓側(cè)開關(guān)與總線連接，負(fù)載阻抗接地時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用P型MOSFET。

必須考慮MOSFET電壓。為確保充分的保護(hù)，防止MOSFET故障，MOSFET的電壓應(yīng)同時(shí)高于干線和總線電壓。任何情況下，額定電流應(yīng)為負(fù)載的最大容量。此外，還應(yīng)考慮技術(shù)影響、熱需求和切換性能。柵極參數(shù)必須與驅(qū)動(dòng)電路相一致?？傊?，MOSFET的應(yīng)用決定具體的選擇。

常見問題

如何測試MOSFET的性能？

有多種評估MOSFET性能的測試方法。首先可檢查二極管壓降。這需要用到DMM，設(shè)定為二極管模式。根據(jù)待測MOSFET是N型還是P型，會需要不同的設(shè)置。理想的MOSFET值為0.4V~0.9V。但當(dāng)不產(chǎn)生電壓時(shí)，認(rèn)為待測MOSFET有缺陷。還可通過測電阻來評估性能。不受DMM探針極性影響，漏極-源極間應(yīng)產(chǎn)生較大電阻。

也可用數(shù)字萬用表對MOSFET進(jìn)行測試，步驟如下：

第1步：連接MOSFET

將MOSFET源極與萬用表負(fù)極（-）導(dǎo)線連接。

第2步：握住MOSFET

握住MOSFET的標(biāo)簽或外殼，同時(shí)避免金屬測試探頭組件和端子接觸。

第3步：連接萬用表正極

將萬用表正極引線與MOSFET柵極連接。

第4步：設(shè)置為漏極

將正極探頭調(diào)整到“漏極”（你會看到讀數(shù)很低）。

第5步：施加壓力

當(dāng)儀表為正時(shí)，在源極和柵極之間施加一點(diǎn)壓力。確保柵極放電，儀表顯示讀數(shù)高。

如何給MOSFET接線？

MOSFET接線所需的組件有二極管、晶體管、電路板和接線（三色）。

接線步驟如下：

第1步：剝開電線

剝開為電路供電的電線皮。

第2步：插入固定

將線插入電路板。

第3步：連接電線

將供電電線插入器件，與電路板連接牢固。

第4步：連接二極管

將二極管連接到板上，并與其他電線連接。

第5步：連接晶體管

將晶體管連接至電路板。

第6步：切掉多余部分

小心切除多余部分并接線。

第7步：用萬用表檢查

使用萬用表檢查連接，并相應(yīng)地對高壓器件進(jìn)行控制。

如何讀取MOSFET上的數(shù)字？

為了確保訂購合適的替換品，必須準(zhǔn)確讀取有缺陷MOSFET上的數(shù)字。這需要參考零件編號和標(biāo)識圖。

數(shù)字讀取步驟如下：

第1步：確認(rèn)MOSFET類型

確認(rèn)其為增強(qiáng)型還是耗盡型MOSFET。

第2步：確認(rèn)電壓讀數(shù)

從晶體管底部讀取電壓。

第3步：確認(rèn)晶體管序列號

確認(rèn)晶體管序列號（如BU系列晶體管的前兩個(gè)字母為BU）。

為什么MOSFET是一種壓控器件？

因?yàn)檩敵觯O）電流可通過柵極-源極電壓控制。輸入端電壓可有效控制電流流動(dòng)，從而輸出電流與輸入電壓直接成比例。

審核編輯 黃宇