來源：從零學電源

一、場效應管的介紹

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 全稱：金屬-氧化物-半導體場效應晶體管），簡稱MOS管，屬于場效應管（FET）的一種。

場效應管利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。其中最常用的是增強型NMOS。

為什么是NMOS？——NMOS具有更快的速度，更小的面積，更簡單的工藝。因為NMOS的載流子是電子，PMOS的載流子是空穴，電子的遷移率是空穴的2-3倍，在相同電場作用下，電子跑得比空穴快。相同尺寸大小的NMOS和PMOS相比，NMOS導通電流可以做到更大。

為什么是增強型？——增強型在不加柵源電壓時沒有溝道，器件默認是關閉的。耗盡型在沒有柵源電壓時就存在溝道，器件默認是導通的，需要加負壓才能關閉。由于耗盡型默認開啟，不符合數字邏輯思維，不符合低功耗設計，且制造工藝復雜，故耗盡型很少見。

為什么是MOS？——MOSFET符合現代數字芯片CMOS工藝，JFET與標準CMOS工藝不兼容，不易高密度集成，且JFET通常為耗盡型，不符合低功耗理念。JFET只適用于對噪聲、可靠性要求高的特殊模擬應用。

二、MOSFET的原理

以增強型NMOS管為例，柵極與襯底之間存在很薄的絕緣層(SiO2)，將柵極金屬和P型襯底隔開。

為什么源極和襯底短接在一起？襯底與源極短接，電位相同，可以讓該PN結處于零偏置狀態，防止其正向導通影響MOS管工作，同時也能避免襯底偏置效應影響Vth閾值電壓。

在襯底P型半導體里，由于存在少量的自由電子，故當Vgs存在電壓時，襯底中的少量電子受電場作用向柵極靠近并聚集，形成N型溝道，連通源極和漏極。在源漏極加上電壓時，電子就可以通過溝道從源極流向漏極，形成漏極電流Id。

其中絕緣層越薄，電場作用越明顯，形成導通溝道的閾值電壓越小。但是電路設計者（DE）無法改變閾值電壓（Vth），閾值電壓由工藝決定，設計者只能基于晶圓廠提供的PDK進行設計，PDK中的器件模型參數是固定的。

如何從符號上區分增強型和耗盡型？由于增強型MOS的溝道在Vgs=0時還未形成，所以符號上溝道是斷開的，而耗盡型MOS的溝道在沒有Vgs時已經形成，所以在符號上溝道是連續的。

如何從符號上區分PMOS、NMOS？由于PMOS和NMOS的溝道類型不同，溝道處的箭頭方向都是從P指向N，所以可以通過觀察箭頭方向來確定溝道類型。箭頭指向外，則溝道為P型；箭頭指向溝道處，則溝道為N型。

如何確定體二極管方向？以NMOS為例，由于源極S與襯底相連，且襯底（P型）與漏極（N型）可以看作一個二極管，又被稱為體二極管（body diode），故存在源極-漏極之間的二極管，二極管導通方向由源極指向漏極，從符號上看二極管方向與溝道處的箭頭方向相同。

如何區分源極、漏極、柵極？MOS管腳中柵極（Gate）與其他極絕緣，而源極（Source）與襯底（Substrate）相連，故連接到符號中間襯底溝道的都是源極，不連接的是漏極。

三、MOSFET的特性

以NPN三極管BJT為例，對比介紹增強型NMOS的特性

3.1 輸入特性曲線

三極管BJT的輸入特性曲線是VBE與IB之間的關系曲線，類似于二極管的正向特性曲線。

MOS管的輸入特性曲線是VGS與IG之間的關系曲線，由于G極下方具有絕緣層，柵極與溝道之間構成一個電容，直流狀態下IG只有微小的漏電流。

由于MOS管的柵極絕緣，輸入阻抗極高，不吸取電流，故通常不討論MOS管的輸入特性曲線。

3.2 輸出特性曲線

三極管以共發射極配置，輸出特性曲線是VCE與IC之間的關系曲線，參變量以基極電流IB作為不同的曲線參數。

MOS管的輸出特性曲線是VDS與ID之間的關系曲線，參變量以柵源電壓VGS作為不同的曲線參數。

MOS管的恒流區/飽和區，相當于三極管的放大區：

3.3 轉移特性曲線

轉移特性曲線反映的是輸入量對輸出量的控制能力，三極管的轉移特性曲線是IB與IC之間的關系曲線，MOS管的轉移特性曲線是VGS與ID之間的關系曲線。

BJT是電流控型器件，IB控制IC，IC與IB呈線性關系；MOS管是壓控型器件，VGS控制ID，是平方律的關系。

四、MOSFET的參數

針對電源應用，需要考慮的MOS管重要參數包含以下:

4.1 額定漏源電壓VDS、額定柵源電壓VGS

額定漏源電壓VDS：柵極G和源極S短路，在漏極D和源極S所能施加的最大電壓值，表明了MOS管在關斷狀態下，漏源極之間能承受的最大電壓，可理解為源漏擊穿電壓，具有正溫度系數，高溫下，MOS管能承受的瞬時電壓反而比室溫下更高，而低溫下實際擊穿電壓會低于標稱值，選型時仍需要留有充分裕量，避免尖峰電壓和瞬態沖擊損壞MOS。

額定柵源電壓VGS：漏極D和源極S短路，在漏極G和源極S所能施加的最大電壓值。如果超過該額定電壓，可能導致柵氧化層損傷。

4.2 柵源閾值電壓VGS(th)

閾值電壓VGS(th)：在MOS的柵源之間加的可以形成導通溝道的最小電壓。VGS達到閾值電壓后，MOS從截止狀態轉變為導通狀態。閾值電壓具有負溫度系數，高溫下避免噪聲超過閾值電壓發生誤動作。一般來說，高閾值電壓的MOS具有較小的柵源漏電流，但是其開關速度較慢，動態功耗較大。

4.3 漏源導通電阻RDS(on)

漏源導通電阻RDS(on)：MOS管處于導通狀態時，源漏之間的等效電阻，具有正溫度特性。

尤其在大電流應用中，較低的導通電阻可以降低MOS的導通損耗，減少MOS發熱，提升電源的轉化效率。通常RDS(on)與器件尺寸、成本成反比。高壓器件RDS(on)一般高于低壓器件。設計中需要綜合考慮成本、體積和效率。

4.4 持續漏電流ID，零柵壓漏極電流IDSS，柵源漏電流IGSS

持續漏電流ID表明MOS管支持工作的最大直流電流，受溫度、導通阻抗、封裝等影響。

零柵壓漏極電流IDSS表明MOS管在柵源短路狀態下（VGS=0），漏極與源極之間加額定電壓下的泄漏電流。該值具有正溫度系數。

柵源漏電流IGSS表明MOS管在源漏短路狀態下（VDS=0）,柵極與源極之間加額定電壓下的泄露電流。

4.5 輸入電容Ciss、輸出電容Coss、反向傳輸電容Crss

輸入電容（Ciss）表明漏源短接下，交流信號測得的柵極和源極之間的電容，其代表著驅動MOS管時柵極驅動電路需要充電的總電容，直接影響MOS管的柵極電荷Qg和驅動電流。Ciss越大，開關MOS所需要的能量和時間就越大。

Ciss=Cgs+Cgd

輸出電容（Coss）表明柵源短接下，交流信號測得的漏極與源極之間的電容，其代表著MOS管在關斷時，漏極和源極之間存在的總電容。

Coss=Cds+Cgd

在硬開關電路中，MOS管由導通到關斷時，其VDS會從0上升到母線電壓，這個電壓會對Coss充電，消耗的能量稱為關斷損耗。

在軟開關電路中，例如LLC，輸出電容Coss是諧振電容的一部分，其大小直接影響諧振頻率。

對于橋式電路，若Coss過大，由于另一管開關引起的快速電壓變化（dV/dt）通過Coss充放電電流，誤觸發關斷的MOS管使其導通。

反向傳輸電容（Crss）表明源極接地，測漏極和柵極之間的電容。由于其會引發米勒效應，故也稱作米勒電容。米勒效應會阻止Vgs上升，從而也就阻止了Vds的下降。米勒電容會顯著延長開關過程的平臺階段，其是造成開關損耗（尤其是開通損耗：ID×VDS）的主要原因，影響開關上升、下降時間和關斷延時時間。

Crss=Cgd

輸入電容(Ciss)、輸出電容(Coss)、反向傳輸電容(Crss)共同決定了MOS管的交流特性，影響MOS管的開關速度、損耗、電路穩定性。

4.6 導通、關斷延時時間Td(on)/Td(off)、上升、下降時間TrTf

Td（on）導通延時時間：從柵極驅動電壓VGS上升到其幅值的10%開始，到漏極電流上升到其幅值的90%的時間間隔。

Td（off）關斷延時時間：從柵極驅動電壓 VGS下降到其幅值的90%開始，到漏極電流下降到其幅值的90%的時間間隔。

tr上升時間：漏極電流從其幅值的10%上升到90%所需的時間。

tf下降時間：漏極電流從其幅值的90%下降到10%所需的時間。

如何優化縮短這些時間呢？

選擇本身開關速度快（Qg低柵極電壓和低寄生電容）的MOSFET

提高柵極驅動能力（增加驅動電壓、減小驅動電阻）

使用專用的柵極驅動IC，可提供瞬間的峰值電流

4.7 安全動作區SOA

MOS管的SOA（Safe Operating Area）結合了MOS的多種物理限制，只要MOS的工作點落在這個區域，器件就不會因過應力而損壞，超過SOA邊界可能導致MOS永久性失效。