N沟道与P沟道MOSFET基本原理与区别

学习MOSFET时的简单笔记作为个人总结，仅供学习参考，实际电路设计请直接略过！！！

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前言

MOSFET也是就电路设计中常常提到的MOS管，其是一种三端、电压控制、高输入阻抗和单极器件，是不同电子电路中必不可少的元件。一般来说，这些器件根据其默认状态下是否有相应的通道，分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET两类。同样有根据托底材料不同，每一类中又分为P沟道MOSFET和N沟道MOSFET，在本文主要介绍增强型MOSFET。

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一、MOSFET ？

MOSFET：M_{(Metal金属)}O_{(Oxide氧化物)}S_{(Semiconductor半导体)}，FET（Field Effect Transistor场效应晶体管)，即以金属氧化物场效应半导体场效应晶体管，是一个三端控制器，电压控制、高输入阻抗的单极器件。在电路中可视为一个开关管，其通断频率和峰值电压都非常高，且价格便宜，因此被广泛应用于各种电子电路中。后文将以N沟道增强型MOSFET为例讲其工作原理，P沟道MOSFET可进行类比。

二、N沟道MOS管原理

如下图所示，蓝色区域为N型半导体，是在纯净硅晶体中掺入5价的磷，N型半导体就会有多余自由电子(蓝色区域的红色圆)所以可以导电；黄色区域P型半导体，是在纯净硅晶体中掺入3价的硼，P型半导体就会有很多空穴和极少量自由电子(黄色区域的绿圆)所以不可导电。

当外部使用电池连接两个N型半导体，此时两个N型半导体之间可看出两个方向相反的二极管，所以此时不能导通。

为了使得电路导通，在两个N型半导体之间铺上一层绝缘层，再在绝缘层上放一块金属板，形成栅极，在栅极接入电池正极施加一个电压，此时金属板形成一个正向电场，吸引P型半导体中的自由电子到两个N型半导体之间，此时就形成了所谓的N沟道，此时两个N型半导体之间有足够多的自由电子，可视为导通状态，电流从漏极流向源极，如果在栅极取消电压，P型半导体自由电子就会逃离N沟道，栅极和漏极之间就处于截至状态。
基本原理就是利用给栅极施加电压控制漏极和源极的导通和截至。

三、P沟道MOS管

P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，当给栅极施加一个负电压时，栅极下方的p型半导体区域中的空穴会被吸引到靠近栅极的区域，形成一个导电通道。此时，如果给源极极施加一个正电压，那么空穴就会从源极通过这个导电通道流向漏极，形成电流。当栅极电压与源极电压差值小到一定程度时，导电通道会逐渐变窄，直至消失，此时p沟道MOS管处于截止状态。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。

注意：
1.MOS管的栅极因为有绝缘层存在不能导通所以输入不取电流，且输入阻抗非常高，其输入电阻甚至可达上亿欧姆。
2.栅极阻抗很大，电荷难以释放，这就导致栅极的绝缘层容易被静电击穿，造成MOS管永久损坏。

四、电路符号区分

前面介绍的都是增强型MOS，还有一类为耗尽型MOS，区别在于耗尽型在制作时沟道已存在，所以在栅极不施电场时，MOS管即可导通，在栅极施加电场时，沟道消失，MOS关断。而增强型MOS刚好相反。所以从电路符号来判断，耗尽型MOS中间是一段完整实线，而增强型MOS中间是三段虚线。
对于NMOS和PMOS而言，电路符号区别在于中间箭头指向，这里巧妙的理解就是把箭头理解为托底材料中自由电子的运动方向，因为：
1.NMOS栅极施加正电压，电子向靠近栅极运动，电流方向又与电子运动方向相反，所以导通电流由漏极(D)流向源极(S)
2.PMOS栅极施加负电压，电子向原理栅极运动，电流方向又与电子运动方向相反，所以导通电流由源极(S)流向漏极(D)

有的图上是有寄生二极管的，如下图所示，其主要是防止源漏接反、VDD过压或反向感生电压击穿MOS管导致MOS管损坏(寄生二极管方向与电子运动方向一致）。

五、注意事项

了解了MOS管的种类和原理，再简单说一下其注意事项
封装：MOS管的外形和尺寸，种类繁多，，封装越大，承受的电流也就越大，可根据实际电路需求选择
Vgsth: 漏极和源极的导通时，所在栅极施加的临界电压值，是每个MOS的固有属性
Rdson： MOS被完全打开之后，源极与漏极之间的电阻值，是每个MOS的固有属性（一般越小越好，但也伴随着造价越高）
Cgs： 这个参数比不常见，表示栅极与源极之间寄生电容的大小，影响到MOS的打开速度，一般在PWM调波是需要注意
栅极导通电压： 如图，Rds是漏极与源极之间的电阻值，Vgs是栅极与源极电压差。

应用中比较常见的就两种增强型MOS管，使用较多的是NMOS，因其导通电阻小，且成本低廉，在开关电源和电机驱动的应用中比较常见

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总结

1.开关属性：PMOS:低通高关，NMOS高通低关
2.电流方向：PMOS:由源到漏，NMOS由漏到源