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一、技術(shù)理論

 

1、MOSFET 的基本工作原理

MOSFET 是一種電壓控制型器件，通過在柵極施加電壓來控制源極和漏極之間的電流。

它主要由柵極（G）、源極（S）和漏極（D）組成。

當(dāng)在柵極和源極之間施加一個(gè)正向電壓時(shí)，會(huì)在柵極下方的半導(dǎo)體表面形成一個(gè)導(dǎo)電溝道，使得源極和漏極之間導(dǎo)通。

MOSFET 分為 N 溝道和 P 溝道兩種類型，其工作原理略有不同。

 

2、MOS符號(hào)

MOS管分為NMOS和PMOS，其組成都是三個(gè)引腳，以及一個(gè)二極管組成，這個(gè)二極管在D和S之間，被稱為體二極管，是MOS的生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的，不可避免，其性能和普通二極管一致，同樣有正向?qū)ǎ聪蚪刂磷饔谩?/span>

 

3、怎么辨別引腳極性，以及區(qū)別NMOS/PMOS

4、NMOS工作原理簡(jiǎn)易理解模型

 

官方說法：通過在柵極G施加電壓來控制源極S和漏極D之間的電流。

解釋：MOS管有一個(gè)參數(shù)，叫做VGS（th）：G與S之間的閾值電壓。

NMOS是當(dāng)G與S之間的電壓VGS大于MOS管開啟閾值電壓VGS（th）時(shí)，即D和S之間便會(huì)導(dǎo)通。

PMOS是當(dāng)G與S之間的電壓VGS小于MOS管開啟閾值電壓VGS（th）時(shí)，即D和S之間便會(huì)導(dǎo)通。        

示例：

首先講下MOS管的參數(shù)，該MOS管參數(shù)：

VGS（max）電壓為20V（即G與S之間的安全電壓，超過該值，MOS會(huì)損壞）

VGS（th）電壓為5V（即G處電壓高于S處電壓5V時(shí)，D與S之間導(dǎo)通）。

現(xiàn)在講下運(yùn)行過程：

當(dāng)左側(cè)沒有信號(hào)接入時(shí)：5V電源經(jīng)過電機(jī)到達(dá)MOS的D極，而D與S之間存在體二極管（NMOS的體二極管由D至S是反向截至），所以，電機(jī)上無電流完整回路，即電機(jī)不能工作。

當(dāng)左側(cè)有10V電壓信號(hào)傳遞時(shí)，G處電壓經(jīng)過電阻分壓達(dá)到9V，而S極電壓始終在0V，從而此時(shí)VGS之間電壓已經(jīng)為9-0=9V，此時(shí)9V已經(jīng)大于VGS（th）的5V導(dǎo)通電壓，所以D與S之間便會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)，5V經(jīng)過電機(jī)，再流過MOS的DS之間，到達(dá)地，形成完整回路，電機(jī)工作。

當(dāng)左側(cè)信號(hào)為0V時(shí)，G處電壓為0V，S處電壓為0V，此時(shí)VGS電壓為0V，VGS<VGS（th），所以D和S之間無法通道，即MOS管不導(dǎo)通，電機(jī)無法工作。

 

5、MOSFET 的選型參數(shù)

漏源極電壓（VDS）：這是 MOSFET 能夠承受的最大漏極D和源極S之間的電壓。在選型時(shí)，必須確保 VDS 大于實(shí)際應(yīng)用中的最大工作電壓，以防止器件被擊穿。例如，在一個(gè) 12V 電源系統(tǒng)中，如果考慮一定的電壓波動(dòng)，可能需要選擇 VDS 為 20V 或更高的 MOSFET。

柵源極電壓（VGS）：這是 MOSFET 能夠承受的最大柵極G和源極S之間的電壓，若施加在柵極和源極之間的最大電壓超過該值，MOS會(huì)被擊穿，一般來說，范圍都在±20V以內(nèi)。        

柵源極電壓（VGS（th））：這是施加在柵極和源極之間的電壓，用于控制 MOSFET 的導(dǎo)通。不同類型的 MOSFET 具有不同的 VGS 范圍。

連續(xù)漏極電流（ID）：這是 MOSFET 在連續(xù)工作狀態(tài)下能夠承受的最大漏極電流。在選型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的負(fù)載電流來確定 ID 的大小。如果負(fù)載電流較大，可能需要選擇 ID 較大的 MOSFET，或者采用多個(gè) MOSFET 并聯(lián)的方式來滿足電流要求。

脈沖漏極電流（IDM）：這是 MOSFET 在短時(shí)間內(nèi)能夠承受的最大脈沖電流。在一些應(yīng)用中，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，可能會(huì)出現(xiàn)瞬間的大電流脈沖，此時(shí)需要考慮 IDM 的大小，以確保 MOSFET 不會(huì)被損壞。

導(dǎo)通內(nèi)阻（RDS）：在導(dǎo)通狀態(tài)下，漏極（D）和源極（S）之間的等效電阻。一般該值都是毫歐級(jí)別的，該值越小，代表MOS管性能越優(yōu)越，它是衡量 MOSFET 性能的一個(gè)重要參數(shù)。

功耗（P）：MOSFET 在工作過程中會(huì)消耗一定的功率，這主要由漏極電流和漏源極電壓決定。功耗過大會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)熱嚴(yán)重，甚至損壞。因此，在選型時(shí)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的功率要求來選擇合適的 MOSFET，并考慮散熱措施。

開通時(shí)間（ton）和關(guān)斷時(shí)間（toff）：這兩個(gè)參數(shù)分別表示 MOSFET 從關(guān)斷狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)和從導(dǎo)通狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)所需的時(shí)間。在開關(guān)電源等高速開關(guān)應(yīng)用中，需要選擇開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間較短的 MOSFET，以提高系統(tǒng)的效率和響應(yīng)速度。

上升時(shí)間（tr）和下降時(shí)間（tf）：這兩個(gè)參數(shù)分別表示 MOSFET 漏極電流從 10% 上升到 90% 和從 90% 下降到 10% 所需的時(shí)間。同樣，在高速開關(guān)應(yīng)用中，需要選擇上升時(shí)間和下降時(shí)間較短的 MOSFET。

 

6、MOSFET 的實(shí)例

該型號(hào)為：NCEP039N10D，在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，極限參數(shù)如下：

在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，一般會(huì)有兩個(gè)表格，這第一個(gè)Absolute Maximum Ratings(絕對(duì)最大額定值)記錄了該器件的一些極限參數(shù)，超過該值，會(huì)損壞器件。

如上：可得

型號(hào)	VDS	VGS	ID	ID（100℃）	IDM	PD
NCEP039N10D	100V	±20V	135A	108A	540A	220W

DS之間最大電壓不能超過100V

GS之間壓差不能超過20V（G極不能超過S極20V，同樣S極也不能超過S極20V）

流過DS之間的電流如果需要持續(xù)流動(dòng)的話不能超過135A

如果溫度過高，能持續(xù)流過DS之間的電流會(huì)下降，在100℃下，能持續(xù)流過的電流為108A

瞬間流過DS之間的電流最大為540A

在DS之上的功率不能超過220W

以上大多數(shù)是一些安全參數(shù)，還有幾個(gè)參數(shù)，我們要特別關(guān)注：

在這里，我們對(duì)表格做出補(bǔ)充：

型號(hào)	VDS	VGS	ID	IDM	PD	VGS（th）	RDS（on）
NCEP039N10D	100V	±20V	135A	540A	220W	2~4V	3.5~3.9mΩ

口頭解釋：該型號(hào)MOS：

當(dāng)G處電壓高于S處電壓4V時(shí)，MOS的D和S之間肯定是導(dǎo)通的。

當(dāng)DS之間導(dǎo)通時(shí)，DS之間的電阻為3~4mΩ

在這里，要說明一下，DS之間導(dǎo)通時(shí)，既然DS之間有電阻，那么此時(shí)DS之間就會(huì)有電壓，假若流過電流是1A，那么DS上此時(shí)電壓為1A*3.5mΩ=0.0035V。

得到DS上的電壓，也就可以算出MOS有電流流過時(shí)的導(dǎo)通損耗P=IIR=UI=0.0035V*1A=0.0035W。

上述說了MOS導(dǎo)通時(shí)的損耗，還有一種損耗是MOS經(jīng)?？紤]的損耗，就是開關(guān)損耗，由于米勒平臺(tái)的原因，MOS管在開啟的一瞬間，以及關(guān)閉的一瞬間，都會(huì)消耗功率。如果MOS管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，那么導(dǎo)通損耗是MOS管最主要的損耗來源，但對(duì)于高頻開關(guān)電路中，需要MOS一直處于開關(guān)開關(guān)切換的狀態(tài)（1s內(nèi)可切換幾十萬次），這時(shí)，開關(guān)損耗便成了MOS損耗的主力軍。

 

7、MOSFET 的面試問題延伸      

1、MOS和三極管的區(qū)別（一句話介紹）

三極管是電流型器件（BE之間有電流流過，CE導(dǎo)通），MOS是電壓型器件(GS之間有電壓，DS導(dǎo)通)。

2、關(guān)于MOSFET的損耗

MOS的損耗主要是來自兩方面，一個(gè)是導(dǎo)通損耗，一個(gè)是開關(guān)損耗。

1、導(dǎo)通損耗

原理:當(dāng) MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流從漏極流向源極，由于存在導(dǎo)通電阻RDS(on)，根據(jù)焦耳定律。P= Id x RDS(on)(其中Ids是漏-源極電流)，會(huì)產(chǎn)生功率損耗。這部分損耗主要是由于電流通過導(dǎo)通電阻發(fā)熱導(dǎo)致的。

示例:假設(shè)一個(gè) MOSFET的Rds(on)= 0.1Ω，通過的電流Ids =5A，那么導(dǎo)通損耗P=IIR=IdsxIdsxRDS(om) =5*5x0.1=2.5W。在電源管理電路(如 DC-DC 轉(zhuǎn)換器)中，這種導(dǎo)通損耗會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)槟芰恳詿崮艿男问嚼速M(fèi)在 MOSFET 上。

2、開關(guān)損耗（米勒平臺(tái)原因造成）

原理:在MOSFET的開關(guān)過程中(從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通)，其電壓和電流會(huì)同時(shí)變化。在這個(gè)過程中，瞬時(shí)功率P=UxI，由于電壓和電流變化存在重疊時(shí)間會(huì)產(chǎn)生能量損耗。開關(guān)損耗分為開通損耗和關(guān)斷損耗。

開通損耗:在MOSFET開通時(shí)，漏極-源極電壓VDS開始下降，而漏極電流ID開始上升。在這個(gè)過程中，VGS和ID的乘積表示瞬時(shí)功率，對(duì)這個(gè)過程中的瞬時(shí)功率進(jìn)行積分就可以得到開通損耗。例如，在高頻開關(guān)電源電路中，由于開關(guān)頻率較高，開通損耗在總損耗中所占的比例可能會(huì)比較大。

關(guān)斷損耗:關(guān)斷過程與開通過程類似，只是VDS上升，ID下降。同樣，對(duì)關(guān)斷過程中的瞬時(shí)功率進(jìn)行積分可以得到關(guān)斷損耗。例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，如果MOSFET的開關(guān)速度不夠快，關(guān)斷損耗會(huì)導(dǎo)致MOSFET溫度升高，影響其可靠性和使用壽命。

上述內(nèi)容也不一定是要全記住，但最起碼幾個(gè)關(guān)鍵詞要記住，

1、導(dǎo)通損耗（P=IIR=UI）

2、開關(guān)損耗（米勒平臺(tái)原因造成）

開通損耗（對(duì)瞬時(shí)功率P=UI進(jìn)行積分）

關(guān)斷損耗（對(duì)瞬時(shí)功率P=UI進(jìn)行積分）