严正安
严正安

电控开关详细介绍 MOSFET

目录

NMOS

MOSFET的开关模型

现实生活中MOSFET的截面图 

输出特性曲线

总结

MOSFET的SCS模型

MOSFET的SR模型 

进一步分析 

例子

 PMOS

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

NMOS

电控开关详细介绍 MOSFET_第1张图片

 金属氧化物半导体场效应晶体管

这是一个什么样的结构呢？

对于N型增强型MOSFET

如果看到这个符号是一个N型增强型的MOSFET

一般认为是三端的元器件

gate端我们定义成栅极

drain端我们定义成漏极

source端我们定义成源极

对于MOSFET来说，我们用电信号来代替力学信号

当栅极和源极之间的电压差大于某一个数的时候就是导通的

力控开关就是力到达某一程度，开关导通

对于MOSFET来说也是一样的

V_{GS}>=V_T那么则是导通的

V_{GS} < V_T那么则是不导通的

用电压值来控制开关，我们就更加容易实现电路逻辑了

MOSFET的开关模型

电控开关详细介绍 MOSFET_第2张图片

DS之间会形成一个源漏电流， i_{GS}非常非常小，\approx 0，一直是接近于，几乎可以等同于0

D,S就是开关的一个输入和输出

D端和S端是对称的，因而i_{GD}=i_{GS}

这个MOSFET相当于是一个电控的开关，开关特性完全类似于力控开关，力控开关可以实现逻辑门的运算还有功能，我们用电控开关一样可以实现功能

这个MOSFET可以等同于力控开关

电控开关详细介绍 MOSFET_第3张图片

 V_{in}>V_T,V_{in}= '0'

V_{in}<V_T,V_{in}= 'V_s'

V_{out}=\overline{V_{in}}

我们把高电压定义为数字逻辑1，低电平定义成数字逻辑0

推广一下可以得到

电控开关详细介绍 MOSFET_第4张图片

举例：

电控开关详细介绍 MOSFET_第5张图片

 对于NMOS形成的逻辑门来说，这个操作形成的是或

大家以后看到这样的电路，可以直接写出表达式

如果逻辑门采取的是这样的构型，下面是通过NMOS的串并联，那么结果上肯定始有非的

  

电控开关详细介绍 MOSFET_第6张图片

Gate，Drain，Source并不是一个平面结构，而是一个立体的结构

在drain和source我们写了一个N+,是一个非常重的N型掺杂

画斜杠的这一层就是meta，箭头指的地方就是氧化层，再往下就是S结构

Source和Drain之间是有距离的，我们定义成L代表Channel \ Length

电流不仅取决于长度，也取决于W

当这个MOSFET导通的时候，电流在L上流动，L越小，I_{DS}就会越大

L越小，W越大，电流才会越大

现实生活中MOSFET的截面图 

电控开关详细介绍 MOSFET_第7张图片

 侧墙是为了保护氧化物这一层的

电控开关详细介绍 MOSFET_第8张图片

 当V_{GS}比较小的时候，沟道呈现高阻态，所以电流不导通

输出特性曲线

电控开关详细介绍 MOSFET_第9张图片

现在可以看出来

晶体管导通的时候D和S之间并不是短路，至少是有一个电阻

总结

电控开关详细介绍 MOSFET_第10张图片

 在饱和区的时候，I_{DS}不受V_{DS}控制，受到V_{GS}控制，像是一个压控电流源

此时我们就可以用电流源的符号来等效MOSFET

在这个时候，我们就会发现压控电流源，在现实生活中是存在的，只是并不是线性的受控电流源

在线性区的时候，等效于一个电阻，V_{DS}和I_{DS}类似线性模型，此时重点就在于R_{ON}，这个取决于电路结构

R_{ON}受到V_{GS}的控制，栅压越大，导通性能就会越好，电阻值就会越小

MOSFET的SCS模型

电控开关详细介绍 MOSFET_第11张图片

 SCS模型可以用来做放大

如果要用来做放大，我们一定要让他工作在饱和区

否则工作在线性区，我们不能让它和输入电压构成关系

所以我们一定要千方百计让它一定要工作在饱和区，这样才能实现一个类似放大器的功能

MOSFET的SR模型 

电控开关详细介绍 MOSFET_第12张图片

 SR模型主要是用在数字电路中的

我们下面简单来做一个对比

电控开关详细介绍 MOSFET_第13张图片

导通的时候，肯定不是短路

对于SR模型来说，导通的时候就是一个电阻，用在MOSFET开关电路中

SR模型更加贴近MOSFET的实际情况，S模型是一个理想化的模型，在现实生活中用的比较少

当然如果外接电阻非常大的话，我们一样也可以忽略这些

进一步分析 

电控开关详细介绍 MOSFET_第14张图片

 我们需要R_{ON}比较小，R_L比较大，我们才能够满足需求

但是不管用S模型还是SR模型都是相对比较容易的

例子

电控开关详细介绍 MOSFET_第15张图片

 PMOS

PMOS在属性上和NMOS相反，大家只需要记住相反的结论就可以了

电控开关详细介绍 MOSFET_第16张图片

电控开关详细介绍 MOSFET_第17张图片

电控开关详细介绍 MOSFET_第18张图片

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

 互补型MOSFET技术

NMOS和PMOS连接起来就是CMOS（互补型电路）

下面和地相接的是NMOS，上面和电源相接的是PMOS

电控开关详细介绍 MOSFET_第19张图片

不管是上面在工作，还是下面在工作，他都没有形成通路

引入CMOS大大降低了功耗，永远都不能形成V_s到地的通路

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