mosfet器件选型需掌握的3大法则和知识理解与应用详解

mosfet器件概述

mosfet器件，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管。是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称上包括NMOS、PMOS等。

mosfet器件的结构

M-Metal-导体，O-Oxide-氧化物（绝缘体），S-Semiconductor-半导体，F-Field，E-Effect，T-Transistor -场效应晶体管。前三个字母反应了它的结构，MOSFET就是由导体-氧化物-半导体三层结构组成的器件，而后三个字母则反应了他的工作特性，它是一个感应电压的晶体管。

图1 MOSFET的结构

第一眼看到图1会感觉有些复杂，没关系不要紧，我们从简单的一点点来分析，首先看图2，这是一个简单的我们假想的半导体器件，虽然是假想的，但是不妨碍我们对其原理进行理解。这个我们意淫的器件同样是由导体、绝缘体、半导体三层结构组成，这个半导体是P型掺杂的还是N型掺杂的我们先不管，这里我们以P型掺杂的半导体为例。

图2 一个简单的假想的半导体器件

图3左图，如果我们在导体和半导体两端加电压V1，因为有绝缘体在中间整个器件没有电流通过，但此时你有没有发现这个器件就是一个电容，导体和电源正极相连带正电荷，P型掺杂的半导体本来能用来导电的自由电子很少，但由于和电源负极相连，自由电子都聚集到和绝缘体相接的表面。这个自由电荷聚集的区域我们称为沟道，此时，沟道中没有电流，只有电荷，其电荷数量为。

图3 加电压

这里的V就是V1，C就是导体和半导体形成的电容，知道了这个原理，我们可以得到下面两点初步的认识：

①当V1变大，电荷数量Q变大，沟道中自由电荷的密度增大；

②当绝缘体的厚度t_ox下降，则电容C变大，电荷数量变大，沟道中自由电荷的密度增大。

看图3右图，当在沟道的两端加电压V2，因为沟道中本身存在可以自由移动的电子，此时在沟道中就形成了电流。当V1增大时，电荷密度增加，导致沟道两端之间的电阻变小，导致电流增大。

有了上面的理论基础我们回过头来再看图1，是不是感觉亲切了很多，但是和图3相比，图1有四点值得注意：

①该器件在下面的P型半导体基板上注入了两块重掺杂的N型半导体。这是因为N型半导体能提供自由电子，对沟道中的电流传导有好处；

②所有的电压都是在上面加的，这是因为所有的MOSFET器件是做在晶圆上的，晶圆片的示意图如图4，其中蓝色的小方格表示一个个小器件，所以，电压只能从上面加，不可能从侧边和下面加。

图4 晶圆片示意图

③图3有图有4个端口，即V1的两个端口和V2的两个端口，而图1只有源级S、漏极D和栅极G三个端口，这是因为习惯上把最下面的半导体基板作为参考电压为零，没有画出来。而且受源级S、漏极D和栅极G三个端口电压的影响，沟道两边的电压是不均匀的，靠近源级一侧的电压为V_GS，而靠近漏极一侧的电压为V_GD。

④MOSFET器件是对称的，哪一端是源级，那一端是漏极呢？对于图1的MOSFET（NMOS）来说，两个N型掺杂半导体上加电压低的一端是源级，这是因为NMOS靠电子导电，从电压低的一端流到电压高的一端，电压低的一端为电子的“源泉”。

mosfet器件的电学符号和电学特性

（一）电学符号

图5 左为物理结构，右为电学符号

图5中左图为MOSFET的物理结构，右图为其电学符号，这里我画了4个是为了无论这个符号在电路图中怎么摆放，大家都应该认识。这里要大家特别注意的是：符号中的箭头不是栅极或漏极的标志，因为MOSFET是对称的，哪一端是漏极或栅极需要看所加电压的大小。这里的箭头只是区别NMOS还是PMOS，NMOS箭头向外如图中所示，PMOS箭头向里。一个简单的记忆方法是，箭头总是从P型半导体指向N型半导体（和二极管的箭头类似）。

（二）电学特性

研究一个器件最直接的一种方法就是在各个端口加电压，然后看看各个端口电流的一些性质，也就是研究该器件各个端口的伏安特性曲线。

Case I：如图6，在MOSFET栅极加电压，V_G>0，V_S=V_D=0。此时在沟道中聚集了电荷，电荷密度会随着V_G的增大而增大，但是没有电流。

图6 Case I

Case II：如图7，在MOSFET栅极和漏极加电压，V_G>0，V_D>0，V_S=0。此时，V_G试沟道聚集了电荷，当V_G>V_TH时，电荷数量聚集达到一定程度，再当V_D>0时，在电压的驱动下自由电荷运动形成电流。

图7 Case II

伏安特性：① 当V_G>V_TH为常数时，从直观上来看流过沟道的电流I_D随着V_D的增大而增大。② 当V_D为常数时，因为V_G越大，沟道中聚集的电子数量越多，相当于从沟道一端到另一端的电阻越小，那么从直观上来看流过沟道的电流I_D也会增大。

mosfet器件选型需掌握的3大法则

mosfet器件恐怕是工程师们最常用的器件之一了，但你知道吗？关于MOSFET的器件选型要考虑各方面的因素，小到选N型还是P型、封装类型；大到MOSFET的耐压、导通电阻等，不同的应用需求千变万化，下面会总结一些MOSFET器件选型的3大法则，希望对大家有帮助。

（一）功率MOSFET选型第一步：P沟道还是N沟道？

功率MOSFET有两种类型：N沟道和P沟道，在系统设计的过程中选择N沟道还是P沟道，要针对实际的应用具体来选择。N沟道MOSFET选择的型号多，成本低；P沟道MOSFET选择的型号较少，成本高。

如果功率MOSFET的S极连接端的电压不是系统的参考地，N沟道就需要浮地驱动、变压器驱动或自举驱动，驱动电路复杂；P沟道可以直接驱动，驱动简单。

需要考虑N沟道和P沟道的应用主要是：

（1）笔记本电脑、台式机和服务器等使用的给CPU和系统散热的风扇，打印机进纸系统电机驱动，吸尘器、空气净化器、电风扇等白家电的电机控制电路。这些系统使用全桥电路结构，每个桥臂可以使用P沟道或者N沟道。

（2）通信系统48V输入系统的热插拨MOSFET放在高端，可以使用P沟道，也可以使用N沟道。

（3）笔记本电脑输入回路串联的、起防反接和负载开关作用的两个背靠背的功率MOSFET。使用N沟道需要控制芯片内部集成驱动的充电泵，使用P沟道可以直接驱动。

（二）选取封装类型

功率MOSFET的沟道类型确定后，第二步就要确定封装，封装选取原则有：

（1）温升和热设计是选取封装最基本的要求

不同的封装尺寸具有不同的热阻和耗散功率，除了考虑系统的散热条件和环境温度，如是否有风冷、散热器的形状和大小限制、环境是否封闭等因素，基本原则就是在保证功率MOSFET的温升和系统效率的前提下，选取参数和封装更通用的功率MOSFET。

有时候由于其他条件的限制，需要使用多个MOSFET并联的方式来解决散热的问题，如在PFC应用、电动汽车电机控制器、通信系统的模块电源次级同步整流等应用中，都会选取多沟道并联的方式。

（2）系统的尺寸限制

有些电子系统受制于PCB的尺寸和内部的高度，如通信系统的模块电源由于高度的限制通常采用DFN5*6和DFN3*3的封装；在有些ACDC的电源中，由于使用超薄设计或由于外壳的限制，装配时TO220封装的功率MOSFET沟道脚直接插到根部，由于高度的限制不能使用TO247的封装。

有些超薄设计直接将器件沟道脚折弯平放，这种设计生产工序会变复杂。在大容量的锂电池保护板中，由于尺寸限制极为苛刻，现在大多使用芯片级的CSP封装，尽可能提高散热性能同时缩小尺寸。

（3）成本控制

早期很多电子系统使用插件封装，这几年由于人工成本增加，很多公司开始改用贴片封装，虽然贴片的焊接成本比插件高，但是贴片焊接的自动化程度高，总体成本仍然可以控制在合理的范围。在台式机的主板和板卡等一些对成本极其敏感的应用中，通常采用DPAK封装的功率MOSFET。

因此在选择功率MOSFET的封装时，要结合产品的特点，综合考虑上面因素选取适合的方案。

（三）选取导通电阻RDSON，注意：不是电

很多时候工程师关心RDSON，是因为RDSON和导通损耗直接相关。RDSON越小，功率MOSFET的导通损耗越小；效率越高、温升越低。

同样的，工程师尽可能沿用以前项目中或物料库中现有的元件，对于RDSON的真正选取方法并没有太多的考虑。当选用的功率MOSFET的温升太低，出于成本的考虑，会改用RDSON大一些的元件；当功率MOSFET的温升太高、系统的效率偏低，就会改用RDSON小一些的元件，或通过优化外部的驱动电路，改进散热的方式等来进行调整。

如果是一个全新的项目，没有以前的项目可循，那么如何选取功率MOSFET的RDSON？这里介绍一个方法给大家：

功耗分配法

当设计一个电源系统的时候，已知条件有：输入电压范围、输出电压/输出电流、效率、工作频率和驱动电压，当然还有其他的技术指标，但和功率MOSFET相关的主要是这些参数。步骤如下：

（1）根据输入电压范围、输出电压/输出电流和效率，计算系统的最大损耗。

（2）对功率回路的杂散损耗、非功率回路元件的静态损耗、IC的静态损耗以及驱动损耗做大致的估算，经验值可以占总损耗的10%～15%。如果功率回路有电流取样电阻，则计算电流取样电阻的功耗。总损耗减去上面的这些损耗，剩下部分就是功率器件、变压器或电感的功率损耗。将剩下的功率损耗按一定的比例分配到功率器件和变压器或电感中，不确定的话，按元件数目平均分配，这样就得到每个MOSFET的功率损耗。

（3）将MOSFET的功率损耗，按一定的比例分配给开关损耗和导通损耗，不确定的话，平均分配开关损耗和导通损耗。

（4）通过MOSFET导通损耗和流过的有效值电流，计算最大允许的导通电阻，这个电阻是MOSFET在最高工作结温的RDSON。数据表中功率MOSFET的RDSON标注有确定的测试条件，在不同的既定条件下具有不同的值，测试的温度为：TJ=25℃，RDSON具有正温度系数，因此根据MOSFET最高的工作结温和RDSON温度系数，由上述RDSON计算值，得到25℃温度下对应的RDSON。

（5）通过25℃的RDSON来选取型号合适的功率MOSFET，根据MOSFET的RDSON实际参数，向下或向上修整。通过以上步骤，就可以初步选定功率MOSFET的型号和RDSON参数。

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