MOSFET作为开关

在本教程中，我们将学习MOSFET作为开关的工作原理。在MOSFET教程中，我们已经看到了MOSFET的基础知识，它的类型，结构和MOSFET的一些应用。

MOSFET在电力电子领域的一个重要应用是它可以配置为一个简单的模拟开关。借助这种模拟开关，数字系统可以控制模拟电路中的信号流。

在详细介绍MOSFET作为开关的作用之前，让我带你回顾一下MOSFET的基本知识，它的工作区域，内部结构等。有关mosfet的更多信息，请阅读场效应晶体管教程。

介绍了MOSFET

与双极结晶体管(BJT)不同，MOSFET或金属氧化物半导体场效应晶体管是一种单极器件，因为它只在传导中使用大多数载流子。

它是一种场效应晶体管，从通道有一个绝缘栅(因此，有时被称为绝缘栅FET或IGFET)，栅极终端的电压决定了电导率。

说到终端，MOSFET通常是一个3端设备，它是门(G)，源(S)和漏(D)(即使有第4个终端称为基板或体，它通常不用于输入或输出连接)。

MOSFET的象征

MOSFET可分为增强型MOSFET和损耗型MOSFET。每一种类型进一步分为n沟道MOSFET和p沟道MOSFET。

每种类型的mosfet的符号如下图所示。

增强模式MOSFET和损耗模式MOSFET之间的主要区别是，在损耗模式下，通道已经形成，即，它作为常闭(NC)开关，而在增强模式下，通道最初没有形成，即，常开(NO)开关。

MOSFET的结构

MOSFET的结构根据应用的不同而不同，例如，在IC技术中的MOSFET是相当横向的，而功率MOSFET的结构更多的是垂直通道。不管应用，一个MOSFET基本上有三个终端，即门，漏和源。

如果我们考虑一个n通道MOSFET，源极和漏极都是由n型组成的，它们位于p型衬底中。

工作的MOSFET

现在让我们试着了解n通道增强模式MOSFET是如何工作的。为了携带漏极电流，在MOSFET的漏极区和源极区之间应该有一个通道。

当栅极和源端之间的电压V_GS大于阈值电压V_TH．

当V_GS> V_TH，根据漏极和源端电压V，该器件被称为三极管(或恒阻)区或饱和区_DS．

对于任何V_GS第五,如果_DS< V_GS- - - - - - V_TH，则器件处于三极管区域(又称恒阻或线性区域)。如果V_DS> V_GS- - - - - - V_TH，则设备进入饱和区。

当V_GS< V_TH，表示设备处于关闭状态。两个工作区域的栅电流都非常小(几乎等于零)。因此，MOSFET被称为电压驱动器件。

MOSFET特征曲线

下图显示了MOSFET在三个工作区域的特性曲线。它描绘了漏电流I_D相对于漏源电压V_DS对于给定的栅源电压V_GS．

MOSFET操作区域

基于上述MOSFET的工作，可以得出结论，一个MOSFET有三个区域的工作。它们是:

• 截止区
• 线性(或三极管)区域
• 饱和区域

当V_GS< V_TH．在这个区域，MOSFET处于OFF状态，因为在漏极和源极之间没有诱导通道。

对于通道被诱导和MOSFET工作在线性或饱和区域，V_GS> V_TH．

栅漏偏置电压V_GD将决定MOSFET是在线性区域还是饱和区域。在这两个区域，MOSFET处于ON状态，但差异是线性区域，通道是连续的，漏极电流与通道的电阻成正比。

到达饱和区域，如V_DS> V_GS- - - - - - V_TH，通道掐断，即，它变宽，导致恒定的漏电流。

开关在电子

半导体开关是电子电路中的一个重要方面。像BJT或MOSFET这样的半导体器件通常作为开关操作，即，它们要么处于ON状态，要么处于OFF状态。

理想的开关特性

对于一个半导体器件，如MOSFET，作为一个理想的开关，它必须具有以下特征:

• 在ON状态下，它可以携带的电流量不应该有任何限制。
• 在OFF状态下，阻塞电压不应有任何限制。
• 当设备处于ON状态时，电压降应为零。
• OFF状态的电阻应为无穷大。
• 设备的运行速度没有限制。

实际的开关特性

但世界并不理想，它甚至适用于我们的半导体开关。在实际情况下，像MOSFET这样的半导体器件具有以下特征。

• 在ON状态下，功率处理能力是有限的，即有限的传导电流。OFF状态下的阻塞电压也是有限的。
• 有限的打开和关闭时间，这限制了开关速度。最大工作频率也有限制。
• 当器件处于ON状态时，会有一个有限的状态电阻，导致正向电压降。也会有一个有限的关闭状态电阻，导致反向泄漏电流。
• 一个实际的开关在开、关和过渡状态(开到关或关到开)期间都会经历掉电。

MOSFET作为开关的工作原理

如果你了解MOSFET的工作原理和它的工作区域，你可能已经猜到MOSFET作为开关是如何工作的。我们将通过考虑一个简单的电路示例来理解MOSFET作为开关的操作。

这是一个简单的电路，其中一个n通道增强模式MOSFET将打开或关闭灯。为了将MOSFET作为开关操作，它必须在截止和线性(或三极管)区域操作。

假设设备最初是关闭的。栅极和源之间的电压即V_GS(技术上讲，V_GS> V_TH)， MOSFET进入线性区域，开关为ON。这使灯打开。

如果输入栅极电压为0V(或技术上< V_TH)， MOSFET进入截止状态并关闭。这反过来会使灯关闭。

MOSFET作为开关的例子

考虑这样一种情况，您想使用微控制器数字式控制一个12W LED (12V @ 1A)。当你按下连接到微控制器的按钮时，LED应该打开。当你再次按下相同的按钮，LED应该关闭。

很明显，你不能直接通过微控制器来控制LED。你需要一个连接微控制器和LED之间的装置。

这个装置应该接受来自微控制器的控制信号(通常这个信号的电压是在微控制器的工作电压范围内，例如5V)，并向LED供电，在这种情况下是来自12V电源。

我将要使用的装置是一个MOSFET。上述场景的设置如下面的电路所示。

当一个逻辑1(假设一个5V的微控制器，逻辑1是5V和逻辑0是0V)被供应到MOSFET的门，它打开并允许漏极电流流动。结果，LED被打开。

类似地，当给MOSFET的门一个逻辑0时，它关闭并依次关闭LED。

因此，您可以通过微控制器和MOSFET的组合来数字式控制高功率设备。

重要提示

需要考虑的一个重要因素是MOSFET的功率损耗。考虑漏源电阻为0.1Ω的MOSFET。在上述情况下，即12V电源驱动12W LED将导致漏极电流为1A。

因此，MOSFET耗散的功率为P = I²* r = 1 * 0.1 = 0.1 w。

这似乎是一个低值，但如果你驱动电机使用相同的MOSFET，情况略有不同。电机的起动电流(也称为冲流电流)会非常高。

所以，即使使用0.1Ω的RDS，电机在启动过程中耗散的功率仍然会非常高，可能会导致热过载。因此,R_DS将是为您的应用程序选择MOSFET的关键参数。

此外，当驱动电机时，反电动势是设计电路时必须考虑的一个重要因素。

使用MOSFET驱动电机的主要优点之一是输入PWM信号可以用来平稳地控制电机的速度。

结论

一个完整的MOSFET作为开关的初学者教程。您学习了MOSFET的一些重要基础知识(其内部结构和工作区域)，理想与实际半导体开关，MOSFET作为开关的工作原理，以及几个示例电路。