【电路笔记】-MOSFET作为开关

MOSFET 作为开关

当 MOSFET 在截止区和饱和区之间工作时，MOSFET 是非常好的电子开关，用于控制负载和 CMOS 数字电路。

1、概述

我们之前看到，N 沟道增强型 MOSFET (e-MOSFET) 使用正输入电压工作，并且具有极高的输入电阻（几乎无穷大），使得在与几乎所有设备连接时可以将 MOSFET 用作开关。 任何能够产生正输出的逻辑门或驱动器。

我们还看到，由于输入（栅极）电阻非常高，我们可以安全地将许多不同的 MOSFET 并联在一起，直到达到我们所需的电流处理能力。

虽然将各种 MOSFET 并联在一起可以使我们能够切换高电流或高电压负载，但这样做在组件和电路板空间方面都变得昂贵且不切实际。 为了克服这个问题，开发了功率场效应晶体管或功率 FET。

我们现在知道，场效应晶体管之间有两个主要区别：JFET 的耗尽模式以及 MOSFET 的增强模式和耗尽模式。 在本教程中，我们将研究使用增强型 MOSFET 作为开关，因为这些晶体管需要正栅极电压才能“导通”，需要零电压才能“关断”，这使得它们很容易被理解为开关，也很容易与 逻辑门。

增强型 MOSFET 或 e-MOSFET 的工作可以使用如下所示的 I-V 特性曲线来最好地描述。 当晶体管栅极的输入电压 (VIN) 为零时，MOSFET 实际上不传导电流，并且输出电压 (VOUT) 等于电源电压 VDD。 因此 MOSFET 在其“截止”区域内“关闭”运行。

2、MOSFET特性曲线

确保 MOSFET 在承载选定漏极电流时保持“导通”状态所需的最小导通状态栅极电压可以根据上面的 V-I 传输曲线确定。 当 $V_{IN}$ 为高电平或等于 $V_{DD}$ 时，MOSFET Q 点沿着负载线移动到 A 点。

由于沟道电阻的减小，漏极电流ID增加至其最大值。 $I_D$ 成为独立于 $V_{DD}$ 的恒定值，并且仅取决于 $V_{GS}$。 因此，晶体管的行为类似于闭合开关，但由于其 $R_{DS}$(on) 值，通道导通电阻不会完全降至零，而是变得非常小。

同样，当 VIN 为低电平或降至零时，MOSFET Q 点沿着负载线从 A 点移动到 B 点。 沟道电阻非常高，因此晶体管就像开路一样，没有电流流过沟道。 因此，如果 MOSFET 的栅极电压在高电平和低电平这两个值之间切换，MOSFET 将充当“单刀单掷”(SPST) 固态开关，此操作定义为：

2.1 截住区域

这里晶体管的工作条件是零输入栅极电压 ($V_{IN}$)、零漏极电流 $I_D$ 和输出电压 $V_{DS}=V_{DD}$。 因此，对于增强型 MOSFET，导电沟道关闭并且器件切换为“OFF”。

截止特性

• 输入和栅极接地（0V）
• 栅源电压小于阈值电压$V_{GS}<V_{TH}$
• MOSFET 处于“OFF”状态（截止区域）
• 无漏极电流流动（ I D = 0 I_D = 0 I