MOSFET, MOS管, 開關管
MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金屬訊訓物半導體場效晶體管
常見封裝
電路符號
MOSFET 的三端標記分別為 G, S, D(Gate, Source, Drain), 電路符號有多種形式, 最常見的如下圖所示, 以一條垂直線代表溝道(Channel), 兩條和溝道平行的接線代表源極(Source)與漏極(Drain), 左方和溝道垂直的接線代表柵極(Gate). 有時也會將代表溝道的直線以虛線代替, 以區分增強型(enhancement mode)MOSFET 或是耗盡型(depletion mode)MOSFET.
MOSFET 用途
MOSFET 和三極管的區別在于, MOSFET 主要不是用于放大信號, 而是用來控制電路通斷. 當Gate和Source之間的電壓滿足條件，Drain和Source之間就導通, 電流大小由Gate, Source和Drain三極間的電壓決定. 因為 MOSFET 是對稱結構, 所以 Source 和 Drain 無區別, 可以互換.
耗盡型(Depletion Mode)與增強型(Enhancement Mode)
主要區別在于
- 耗盡型在 Gate 不加電壓, 即柵極電壓為0時有導電溝道存在, 而增強型只有在開啟后才會出現導電溝道.
- 控制方式也不一樣, 耗盡型的柵極電壓 Vgs 可以用正,零,負電壓控制導通, 增強型必須使 Vgs > Vth(柵極閾值電壓) 才行.
耗盡型MOS管在實際應用中, 設備開機時可能會誤觸發MOS管, 導致整機失控, 所以在實際應用中使用較少. 大功率MOS管以增強型為主, 只有在中小功率產品中包含耗盡型. 常規開關電源以及類似正電壓導通做開關作用的場合均為增強型, 有些放大電路, 逆變電路還有些高頻電路中選擇耗盡型.
常規選型以增強型為主，特定場合如需要負電壓開啟，開關速度需求過高，用作信號放大等等特定場合才用耗盡型
P-Channel MOSFET和 N-Channel MOSFET
常用的 MOSFET 分 PMOS 和 NMOS 兩種. 在MOS中，有兩種載流子，電子和空穴, 分別代表N和P, NMOS的載流子是電子, PMOS的載流子是空穴.
- NMOS: 箭頭朝內, Gate需要加正電壓(可以形象理解為頂回箭頭)才能導通, 電流從 Drain 流向 Source.
- PMOS: 箭頭朝外, Gate需要加負電壓(可以形象理解為拉回箭頭)才能導通, 電流從 Sourc 流向 Drain.
使用上的區別
- NMOS是 Vg 高電平導通, 用來控制與 GND 之間的導通, Source一般接 GND. 在電路中屬于下位控制
- PMOS是 Vg 低電平導通, 用來控制與 VCC 之間的導通, Source一般接 VCC. 在電路上屬于上位控制
使用 MOSFET 作為電路開關
N-Channel MOSFET 開關
在這個電路中, NMOS管用作燈的開關. 當G端高電平時燈接通, 當G端處于零電平時燈斷開. 如果不是燈這樣的電阻性負載, 而是線圈, 繼電器這種電感性負載, 需要一個"續流二極管"與負載并聯以保護MOSFET被反電壓擊穿.
P-Channel MOSFET 開關
在某些應用中 我們需要使用PMOS管. 這時候負載接地, MOSFET開關連接在負載和VCC供電之間, 作為高位開關, 就像使用PNP三極管一樣. 在PMOS管中, 施加負的Vgs電壓來導通. PMOS 是倒置的, 其Source 連接到正電源VCC, 當 Gate 端電壓變低時導通, 當 Gate 端電壓變高時關斷.
互補MOS 電機控制器
PMOS管的這種倒置連接允許其與NMOS管串聯形成一個互補器件. 這兩個MOS管從雙電源產生雙向開關, 電機連接在公共的Drain極連接和接地參考之間.
- 當輸入為低電平時, PMOS開啟, NMOS關斷, 電機朝正方向旋轉, 只有正+VDD供電.
- 當輸入為高電平時, PMOS關斷, NMOS導通, 電機朝反方向旋轉, 由負-VDD供電.
- PMOS 用于切換電機正向正電源(高位控制), 而NMOS 用于切換電機反向負電源(低位控制).
- 為避免兩個MOS管在雙電源的兩個極性上同時導通, 需要在一個"關斷"和另一個"導通"之間留時間差, 解決這個問題的一種方法是分別驅動兩個MOS管的Gate, 當兩個MOS管都關斷時, 這就產生了電機的第三個選項“停止”.
參考閱讀
- https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.html
- https://www.electronicshub.org/mosfet-as-a-switch/
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