MOSFET开关管的结构以及在MATLAB中的连接

1.什么是MOSFET

MOSFET：金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金属半场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）；它是由金属(M)层的栅极隔着氧化层(O)利用电场来控制半导体(S)的场效应晶体管，可以广泛使用在模拟电路与数字电路中。

2.MOSFET的结构

• MOSFET按照场效应分为：增强型和耗尽型
• 每个场效应对应不同的沟道分为：N沟道MOSFET和P沟道MOSFET

 

图1

图1是N沟道增强型MOSFET(N-MOSFET)，P,N分别是P(positive)型半导体和N(negative)型半导体；S源极相当于三极管的发射级，D漏极相当于三极管的集电极，G栅极相当于三极管的基级。

图2

 图2是N沟道和P沟道MOSFET。

N-MOSFET：在一块P型半导体中，加入两个N型半导体，并用金属覆盖在N型半导体上引出两个电极，作为D漏极和S源极。然后在半导体表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，绝缘层上加入金属作为G栅极。半导体另外一侧引出电极B，连接寄生二极管。

P-MOSFET除了半导体和寄生二极管颠倒之外，别的组成部分都相同。

3.MOSFET的工作原理

图3

1)当MOSFET正接时，在回路中充当开关。

• N-MOSFET：在导通时，电流由D级流向S级。
• P-MOSFET：在导通时，电流由S级流向D级。

2)导通时不论N沟道还是P沟道MOS管，都是G极电压与S极进行比较。

• N沟道： UG>US时导通。 （简单认为）UG=US时截止。
• P沟道： UG

3)饱和导通问题：(US和UG相差多少才属于导通饱和)

不同的MOS管功用不同，需要的压差也不同，所以达到饱和时的压差也不同。

• 信号切换用MOS管： UG比US大3V---5V即可，实际上只要导通即可，不必须饱和导通。（比如常见的：2N7002，2N7002E，2N7002K，2N7002D，FDV301N。）
• 电压通断用MOS管： UG比US应大于10V以上，而且开通时必须工作在饱和导通状态。（常见的有：AOL1448，AOL1428A，AON7406，AON7702， MDV1660，AON6428L，AON6718L，AO4496，AO4712，AO6402A，AO3404，SI3456DDV，MDS1660URH，MDS2662URH，RJK0392DPA，RJK03B9DP。）

P-MOSFET和N-MOSFET条件相反。

4)MOSFET反接

 

图4

 MOSFET反接时二极管直接导通，失去了开关的作用。

5)寄生二极管的作用

• MOSFET的寄生二极管，作用是防止VDD过压的情况下，烧坏MOS管，因为在过压对MOS管造成破坏之前，二极管先反向击穿，将大电流直接到地，从而避免MOS管被烧坏。
• 防止MOS管的源极和漏极反接时烧坏MOS管，也可以在电路有反向感生电压时，为反向感生电压提供通路，避免反向感生电压击穿MOS管。

4.MOSFET在MATLAB中的使用方法

图5

图5中，MOSFET管充当开关时，将S,D端连入回路中；g,m端连接控制器或者信号发生器，通过输入信号来控制MOSFET的闭合和断开。

图6

 图6中，MOSFET直接导通，相当于导线的作用。

5.PN结的形成和作用

 P型半导体和N型半导体结合在一起之后，会扩散出一个内电场，叫做PN结，或者是阻挡层，耗尽层，空间电荷区。

图7

如图7所示，电子收到电场力，漂移向N级，但是N级的电子太多，就会向P级扩散。这种运动在PN,相连接的一小部分形成一个动态平衡。

1)正向偏置

电源正极接P，负极接N，电荷会重新分布

图8 

因为载流子多而且PN结窄,所以会形成比较大的电流。

图9 

2)反向偏置

电源正极接N，负极接P，电荷也会重新分布

 图10

因为载流子少而且PN结太宽，所以电流会很小。

图11 

3)工作原理

当PN结正偏时，也就是外部电流从P型流向N型半导体；如图9所示，外部电流和内部电流方向相反。电子可以偏移的数量很多，所以从P到N端是正向导通。反之，不可导通。规定S源极为N-MOSFET的正极，D漏极为N-MOSFET的负极。

参考文档

1.MOS管用作开关时在电路中的连接方法_tianpu2320959696的博客-CSDN博客_mos管连接方式

2.PN结/三极管/MOSFET理解_sternlycore的博客-CSDN博客_pn结工作原理

3.《学习笔记》--MOSFET工作原理 - 知乎 (zhihu.com) 

4.PN结的形成原理_小神兵之技术篇-CSDN博客_pn结工作原理 

5.MOSFET、IGBT的结构与工作原理详解_飞由于度的博客-CSDN博客_mosfet工作原理 

6.什么叫死区时间_干货 | MOS管和IGBT管有什么区别？_罗笑生的博客-CSDN博客