电子技术（五）——FET

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一、FET概述


FET即Field Effect Transistor，译为场效应晶体管，也叫场效应管，是一种电压控制器件(晶体管是电流控制器件)。有很高的输入阻抗,较大的功率增益,由于是电压控制器件所以噪声小。FET是根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极。



图1.场效应管分类【图源：KIA】

所有FET的共同特征是具有非常高的输入电阻和低电噪。此外，JFET和MOSFET对交流信号的响应方式也相同，并且有相似的交流等效电路。JFET具有高输入电阻是因为输入pn结一直工作在反向偏置状态，而MOSFET的高输入电阻来源于绝缘栅。尽管所有的FET都具有高输入电阻，但并不具有BJT一样的高增益。BJT的线性也优于FET。

二、MOSFET概述


金属-氧化物半导体场效应管（MOSFET）是另一种重要的场效应管。MOSFET和JFET的区别在于它没有pn结构造，而是MOSFET的栅极与沟道之间用非常薄的二氧化硅（SiO2）层来相互绝缘。MOSFET的两种基本类型为：耗尽型（D）和增强型（E）

通常将E-MOSFET用于开关应用，因为其具有阈值特性，VGS(th)。当栅源电压小于阈值时，MOSFET处于关闭状态。当栅源电压大于阈值时，MOSFET导通。当VGS载VGS(th)和VGS(on)之间变化时，MOSFET就以开关方式工作。对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS.原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS.下面的介绍中，也多以NMOS为主。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS.



图1.在负载线上的开关工作

第一步：选用N沟道还是P沟道

为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET.在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道MOSFET，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET，这也是出于对电压驱动的考虑。【实际中基本采用N沟道，导通电阻低，价格便宜】

第二步：确定额定电流

第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。

在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌（或尖峰电流）流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOSFET并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的RDS（ON）所确定，并随温度而显着变化。器件的功率耗损可由Iload2&TImes;RDS（ON）计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高，RDS（ON）就会越小;反之RDS（ON）就会越高。对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易（较为普遍），而对于工业设计，可采用较高的电压。注意RDS（ON）电阻会随着电流轻微上升。关于RDS（ON）电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。



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第三步：确定热要求

选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。

器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积（结温=最大环境温度+［热阻&TImes;功率耗散］）。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于I2&TImes;RDS（ON）。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS（ON）。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

第四步：静态特性和动态特性

MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压VGS决定其工作状态。



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MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。



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