在電路設(shè)計(jì)中增加MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)能帶來(lái)多方面的顯著優(yōu)勢(shì),使其成為現(xiàn)代電子設(shè)備中無(wú)處不在的關(guān)鍵元件?其主要好處包括:
- 卓越的開(kāi)關(guān)性能:
高速開(kāi)關(guān): MOSFET是電壓控制型器件?通過(guò)在柵極(G)施加或移除相對(duì)于源極(S)的電壓來(lái)控制源極(S)和漏極(D)之間的導(dǎo)通?柵極輸入阻抗極高(可視為電容性負(fù)載),幾乎不汲取穩(wěn)態(tài)電流?這使得它們能夠以極高的速度進(jìn)行導(dǎo)通(ON)和關(guān)斷(OFF)狀態(tài)的切換,開(kāi)關(guān)損耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的雙極結(jié)型晶體管(BJT)?
低開(kāi)關(guān)損耗: 快速的開(kāi)關(guān)速度意味著器件在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中消耗的能量更少,這對(duì)于開(kāi)關(guān)電源(SMPS)?電機(jī)驅(qū)動(dòng)?逆變器等需要頻繁開(kāi)關(guān)的應(yīng)用至關(guān)重要,能顯著提高整體系統(tǒng)效率?
- 極低的驅(qū)動(dòng)功耗:
由于柵極在穩(wěn)態(tài)時(shí)(導(dǎo)通或關(guān)斷后)幾乎不消耗直流電流(僅需克服極小的漏電流),驅(qū)動(dòng)電路只需提供瞬態(tài)電流來(lái)對(duì)柵極電容進(jìn)行充放電即可控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)?這使得驅(qū)動(dòng)電路可以非常簡(jiǎn)單(如直接用微控制器的GPIO引腳驅(qū)動(dòng)),并且驅(qū)動(dòng)功耗本身非常低,尤其適合電池供電設(shè)備和追求高效率的系統(tǒng)?
- 低導(dǎo)通電阻:
對(duì)于功率MOSFET(特別是低壓器件),其導(dǎo)通狀態(tài)下的漏源極電阻(Rds(on))可以做得非常低(低至毫歐級(jí)別)?這意味著在完全導(dǎo)通時(shí),源極和漏極之間的壓降很小,導(dǎo)致導(dǎo)通狀態(tài)下的功率損耗(I² Rds(on))極低,從而減少了發(fā)熱,提高了能量轉(zhuǎn)換效率(尤其在功率傳輸路徑中)?
- 單極性與熱穩(wěn)定性:
MOSFET是多數(shù)載流子器件(N溝道靠電子,P溝道靠空穴)?這種單極性工作方式避免了BJT中少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)速度限制?
其導(dǎo)通電阻(Rds(on))具有正溫度系數(shù):溫度升高時(shí),溝道電阻增大?這個(gè)特性使得MOSFET在并聯(lián)使用時(shí)具有天然的均流特性,并且不容易像BJT那樣發(fā)生“熱失控”(電流越大?溫度越高?導(dǎo)通越強(qiáng)?電流更大直至燒毀的惡性循環(huán))?高溫下的工作相對(duì)更穩(wěn)定可靠?
- 良好的線性工作能力:
在可變電阻區(qū)(或稱線性區(qū)?歐姆區(qū)),MOSFET的漏極電流(Id)可以通過(guò)柵源電壓(Vgs)進(jìn)行連續(xù)?線性的控制?這使得MOSFET不僅可用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用,也能用于線性放大?模擬開(kāi)關(guān)?壓控電阻和恒流源等應(yīng)用,提供比BJT在某些情況下更好的線性度和更簡(jiǎn)單的偏置電路?
- 固有的體二極管:
大部分功率MOSFET(特別是垂直結(jié)構(gòu)如VDMOS)在制造過(guò)程中會(huì)天然形成一個(gè)寄生的體二極管(Body Diode),其陰極接漏極(D),陽(yáng)極接源極(S)?雖然這個(gè)二極管通常性能(如反向恢復(fù)時(shí)間)不如外置快恢復(fù)二極管,但在某些應(yīng)用中(如H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)?Buck/Boost變換器)可以提供續(xù)流路徑,保護(hù)MOSFET免受感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反向電壓尖峰損壞,有時(shí)可以省去外部的續(xù)流二極管,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)?
- 易于集成:
MOSFET的平面結(jié)構(gòu)非常適合大規(guī)模集成電路(IC)制造工藝?CMOS(互補(bǔ)MOS,即N溝道和P溝道MOSFET的組合)技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)字電路(CPU?內(nèi)存?邏輯芯片等)和模擬/混合信號(hào)集成電路的絕對(duì)主流基礎(chǔ),因?yàn)樗哂徐o態(tài)功耗極低(理想狀態(tài)下無(wú)靜態(tài)電流)?集成密度高?抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?
在電路中增加MOSFET的核心優(yōu)勢(shì)在于其高效?易用和靈活?它通過(guò)電壓控制實(shí)現(xiàn)高速?低損耗的開(kāi)關(guān),驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單且功耗極低;在導(dǎo)通時(shí)具有低電阻減少能量損失;其單極性和正溫度系數(shù)特性提供了良好的熱穩(wěn)定性和并聯(lián)能力;同時(shí)具備線性工作潛力和內(nèi)置的體二極管提供額外保護(hù)/功能;最重要的是,它是現(xiàn)代集成電路的基石?這些特性共同使MOSFET成為從微瓦級(jí)數(shù)字邏輯到千瓦級(jí)功率轉(zhuǎn)換等廣泛電子應(yīng)用中的理想選擇?
