MOSFET 栅极阈值电压是限制还是最小“全导通”开关电压?

电器工程 电压 晶体管 场效应管
2022-01-18 22:05:16

我一直在购买一些 mosfet 晶体管和入门套件,并注意到清单表明 mosfet 适用于 5v 逻辑,但数据表显示门阈值为 1-2v。同一卖家的 4v 门控 MOSFET(更接近 5v)没有被宣传为合适。

我知道将 Vgs 电压施加到栅极会打开 mosfet,但它如何与不同的电压相互作用?

因此,例如,如果一个 mosfet 的 Vgs 范围为 2-3,并且我对其施加的电压范围为 0-1,2-3,3-7,我认为它会像这样(如果我错了,请纠正我):

  • 0-1v - 关闭
  • 2-3v - 具有比例电导率(3v 具有最大值)。
  • 3-7v - 加热/燃烧?
3个回答

正如 Andy 所说的 V GS(th),即阈值栅源电压对应于低电流,此时 MOSFET 几乎不导通且 Rds 仍然很高。

从用户/购物者的角度来看,对于您计划在您的应用程序中使用的给定 V GS ,您想要寻找的是保证(和低)Rds(on) 。唉,您没有链接到任何数据表或在您的问题中命名任何特定部件,但我很确定保证的低 Rds(on) 仅在 4-5V 时为您的 MOSFET 提供。

此外,只要不超过允许的最大值,MOSFET 就不会在更高的 V GS下“加热/燃烧”。事实上,最好以尽可能高的 V GS驱动以确保其完全开启。

例如,FDD24AN06LA0_F085 MOSFET 的 V GS(th)介于 1 和 2V 之间,但此时的漏极电流只能保证为 250µA,这可能太低而无法使用。另一方面,他们承诺“rDS(ON) = 20mΩ (Typ.), VGS = 5V, ID = 36A”。因此,您通常会使用 V GS为 5V 或更高的这个 MOSFET。此外,对于这个 MOSFET,V GS不应超过 20V(或低于 -20V),否则会损坏。但是这个范围内的任何东西都可以。

以下是数据表的相关位:

r_DS(ON)_ 用于数据表中的 FDD24AN06L-F085 MOSFET

具体如下:

数据表中 FDD24AN06L-F085 MOSFET 的 V_(GS(TH)_ 和 r_DS(ON)_ 的更多规格

不要超过额定值:

V_(GS)_ 数据表中 FDD24AN06L-F085 MOSFET 的最大额定值

另外值得注意的是 Rds(on) 与 Vgs 和漏极电流的关系图:

数据表中 FDD24AN06L-F085 MOSFET 的 Rds(on) 与 Vgs 和漏极电流的关系图

一般来说,承诺的低 Rds(on) 将具有相当专业的测试条件(如某个占空比)。根据经验,我将它与数据表中承诺的相比加倍。

栅极-源极阈值电压是将(通常)100 uA 的电流传导到漏极所需的电压。不同的 MOSFET 有不同的定义,有些器件定义了高达 1 mA 漏极电流的阈值电压。

在给定适当的逻辑电平信号时,它是一个相当有用的比较指标,用于说明某个设备可能如何工作,但最好还是检查一下数据表。典型的你可能会发现:-

在此处输入图像描述

您可以看到 V\$_{GST}\$ 导致流过的电流非常小,但将栅极电压提高到高于此值,您会看到器件传导的电流要大得多。

通常,MOSFET 栅极的最大额定电压为 +/- 20V,因此在运行和损坏水平之间有相当大的余量。

  • 不要混淆Gate Threshold Voltage (Vth)Gate-Source Voltage(Vgs)Vth 是 MOSFET 的固有属性,而 Vgs 是 MOSFET 的输入。每当输入低于所需电平时,即Vgs < VthMOSFET 将关闭。要打开 MOSFET,您必须应用 Vgs > Vth。
  • Vth 是在 MOSFET 制造过程中确定的。但是,由于实际条件和制造缺陷,您永远无法获得 MOSFET 的完美恒定 Vth。因此,总是有一个 Vth 范围。1-2 V 的 Vth 意味着 MOSFET 的阈值电压将在 1-2 V 范围内变化。

  • 那么,什么是Vgs?Vgs 是施加到 MOSFET 栅极的实际栅极电压。要打开 MOSFET,您应该应用 Vgs > Vth。但是,请注意最大漏极电流随 Vgs 变化。所以不要认为通过应用Vgs = Vth(min)你可以期望最大额定漏极电流流过 MOSFET。在 时Vgs = Vth,MOSFET 仅导通,无法让巨大的漏极电流流过。

  • 为什么Vgs有最大限制?栅极-源极电压负责在栅极下方形成通道。该电压产生的电场将电子拉向栅极,最终形成电流在源极和漏极之间流动的通道。为避免任何泄漏电流,在栅极端子下方有一层薄绝缘层 - 栅极氧化物。这层 SiO2 使 MOSFET 与众不同(这个话题超出了本讨论的范围)。关键是,每个电介质/绝缘层只能承受一定的最大力。除此之外,电介质/绝缘体会分解并表现为短路。所以,如果你申请Vgs > Vgs(max),将产生一个高电场,这将产生高于氧化层所能承受的力。结果,栅极氧化层将被击穿,并使原本应该隔离的层短路。电介质/绝缘层的击穿会在层本身上产生一个弱点 AKA 热点,因此电流开始流过该弱点。这会导致局部加热和电流增加,从而进一步增加加热。这个循环继续并最终导致热点处的硅、电介质/绝缘体和其他材料熔化。