模拟与设计的MOSFET工作点

10月2日

跑步者的腿轮廓和几何图案

几天前的早晨，我像往常一样跑了3英里，却感觉自己好像在苦干而不是在跑步。我比平时跑得越来越慢，浑身是汗。换句话说，我并不喜欢那次跑步。

那天早上6点半，气温已经达到了77华氏度左右，而且似乎每走一步都更热。但是，湿度，湿度高达95%。我的身体只是对炎热和潮湿的结合做出了反应，速度减慢，大量出汗。

我的神经系统并没有让我跑得更快，而是诱发了疲劳，以保护我不受过多热量的积聚。我已经接近了一个影响我表现的临界阈值。

在电子领域，我们每天都会遇到某种阈值。在我们的环境中，阈值等于测量仪器对测量变化做出反应之前所需的测量变化量。阈值产生结果。

来自湿度的mosfet和环境应变

所有这些关于温度、湿度和阈值的信息让我想起了一项关于温度和湿度对金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)影响的研究。研究人员使用标准化的高湿度、高温和反向偏差测试来评估在恶劣条件下的功率mosfet。先前对mosfet的测试揭示了潮湿环境对mosfet的栅极氧化物造成的问题。

更具体地说，该研究调查了水分扩散到栅极氧化物中是否会导致MOSFET器件的负阈值电压漂移。的阈值电压位移导致一些测试设备的泄漏电流逐渐增加，而其他设备的增加则可以忽略不计。

湿气和水积聚在窗户上

湿度会影响许多部件和设备的工作电位

mosfet工作原理简介

每个MOSFET都有漏极、源极和栅极。MOSFET不是依靠电流来工作，而是利用栅极电压来改变电导率并引起开关或放大。因此，mosfet的功能是跨导器件，即通过输入电压和输出电流之间的直接关系来工作的器件。我们可以把这种关系看作是跨导(gm)等于输出端电流变化(iout)与输入端电压变化(vin)的比值，或者:

输入电压变化

对于mosfet，跨导等于漏极电流的变化除以恒定漏极/源电压的栅极/源电压的微小变化。由于其与偏置点的相互作用，跨导也作为mosfet的增益参数。跨导放大器的输出电流与其输入电压成正比。结果，放大器成为电压控制的电流源。

mosfet不长在树的北侧

当我们检查MOSFET的内部工作时，制造商使用一种称为离子注入的技术来在源极和漏极之间以及栅极下建立导电通道。导电通道携带决定阈值电压极性的载流子。p沟道(PMOS) mosfet具有正阈值电压，n沟道(NMOS) mosfet具有负阈值电压。随着电子和空穴从源处进入MOSFET并通过漏极离开，载流子的数量影响阈值电压。

金属氧化物使栅极连接与通道绝缘。栅极的绝缘有效地建立了电容。此外，电隔离栅极与漏极和源极建立了MOSFET的高输入电阻。

在栅电极处无电压时，MOSFET具有最大电导，但不导电。改变栅极上的正电压或负电压会导致沟道宽度和mosfet的电导率发生变化。

mosfet具有有趣的特性，允许器件在模拟电路中以线性方式工作小信号放大器数字电路作为开关。考虑到可见高输入阻抗对于MOSFET，低或高阻抗源可以在不降低信号的情况下驱动MOSFET。除了具有高输入阻抗外，mosfet还具有极低的漏源电阻(Rds)。由于低Rds, mosfet也具有低漏源饱和电压(Vds)，允许器件作为开关。

侧面的MOSFET晶体管图片

在设计阶段就需要考虑适应性强、可靠性好的MOSFET

MOSFET工作模式的类型

mosfet分为耗尽型或增强型器件。两种类型之间的差异影响了mosfet的工作和阈值点。

损耗型MOSFET在零门源电压时具有正常开启状态。当这个(Vgs)阈值电压达到指定电平时，MOSFET关闭。对于增强型mosfet，情况正好相反。增强型MOSFET在门源电压为零的情况下保持正常关闭状态，直到阈值电压(Vgs)达到最小水平。虽然耗尽模式和增强模式操作之间的区别看起来很简单，但另一个关键的区别是存在的。增强型MOSFET的漏极电流大小取决于栅极-源极电压。

在我们进一步研究之前，我们需要认识到增强型mosfet在三种不同的工作模式下的功能，称为欧姆或线性区域、饱和区域和截止区域。让我们快速浏览一下每个地区。

MOSFET工作模式

欧姆地区	饱和区域	截止区
Vgs>V阈值 Vds< Vgs	Vgs> V阈值 Vds> Vgs 我d=最大值	Vgs< V阈值 Vgs< V阈值我d- 0
压控电阻	恒流-晶体管完全打开	晶体管完全关闭
V的量gs决定电阻值响应是线性的	关闭开关电压(Vgs）	打开开关

对表格的快速研究显示了mosfet如何作为模拟放大器和数字开关工作。由于增加Vgs增加漏极电流，增强mosfet可以作为放大器工作。在高输入电阻的情况下，很少或没有电流流入栅极。结果，电流流过漏极和源极之间的主通道。随着电流的大小与输入电压成正比，MOSFET起着电压控制电阻的作用。在正确的直流偏置下，MOSFET放大器在线性区域工作，小信号叠加在栅极上的直流偏置电压上。

用于开关的mosfet具有较低的导通电阻额定值，可以携带较大的电流。损耗型mosfet可以处理比增强型mosfet更高的电压，并且由于较低的输入和输出电容，可以以更快的速度工作。

利用mosfet实现安静

跑步后，我有时会陷入沉默模式。听起来奇怪吗?Quiescent简单地描述了不活动或休息的状态。当我们研究电子学时，我们发现每个晶体管都有一个静态或偏置q点。当交流信号等于零或已经消失时，就会发生静默，只有直流偏置值保留。在q点，我们看到一个稳态直流电压或电流在没有输入信号的特定终端上。

当MOSFET作为放大器时，器件的跨导是q点的函数。跨导(gm)是在工作q点处与活动曲线相切的直线的斜率。这里发生了额外的扭曲，因为mosfet具有正向跨导(gfs)。这种正向跨导被定义为漏极电流的变化除以q点上栅极到源电压的变化，漏极到源电压(Vds)保持恒定值。正向跨导的值随曲线上Q点的变化而变化。q点的任何变化都会改变切线的斜率。