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MOSFET只要Vgs大于开启阈值就万事大吉了吗？

MOSFET只要Vgs大于开启阈值就万事大吉了吗？ 阅芯电子科技
2025-11-14
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导读：MOSFET只要Vgs大于开启阈值就万事大吉了吗？
不知道大家是否和我之前一样，对MOS管的认知存在一个误区。那就是只要给MOS管的G级和源极施加一个大于Vgs(th)的电压，MOS管就能工作起来了。但事实真的是这样吗？

既生BJT,何生MOSFET

在BJT问世的那个年代，工程师们用PN结工艺制成的二极管和BJT集成在一块电路板上，就形成了集成电路芯片。这些芯片在那个年代足以开发出各式各样的电子设备。但随着电子技术的发展，市场上对集成电路的密度要求越来越高，BJT有点捉襟见肘了。

首先，BJT如果想要通过更大的电流，需要把PN结的体积做大，这样就很难把集成度做高。其次，BJT的电流从集电极到发射极需要经历2个PN结，自身存在压降。且BJT的基极持续有电流存在，很难做到低功耗。这时候聪明的工程师们就开始探索新的解决方案了，那能否研制一种不靠PN结就能导通，用电压控制且能经过大电流的工艺呢？这时候我们的主角“MOSFET”应运而生。

MOSFET，中文名全称“金属-氧化物-半导体场效应晶体管”，也叫MOS管。它有三个电极，分别为栅极G、漏极D和源极S。下图是增强型N沟道MOS管的模型，它是由一大块P型半导体衬底和两小块N型半导体组成。图中了2个PN结，也就形成了2个耗尽层。我们把PN结想象成一个二极管，那S极和D极之间就相当于存在2个背靠背的二极管，在没有被击穿的情况下，S极和D极之间是不会导通的。


MOSFET导通沟道的形成

MOSFET分为N沟道型和P沟道型，同一种沟道又分为增强型和耗尽型。增强型的MOS管比耗尽型的MOS管使用要广，我们拿增强型N沟道MOS管举例说明。MOS管在出厂时，就会把P区的衬底和S极连接在一起，原本存在于衬底和D极之间的PN结转移到了S极和D极，MOS管内部的寄生二极管便是这样形成的。

假设我们在G极和S极之间加上正电压Vgs，电场的方向是由上向下，这时候G极下面的空穴会受电场控制，往下移动，在S极和D极之间留下了一层耗尽层。


我们接着增大Ugs的电压，这时候G极下方的空穴会受电场的影响进一步向下移动，同样会吸引一部分P区衬底的电子往上移动，这时候2个N区之间就形成了一个充满自由电子的沟道，所以这个沟道就叫N沟道。Ugs越高，沟道越宽，Rds电阻越小。相反，Ugs越低，沟道越窄，Rds电阻越大。此时只要在D极和S极之间施加一个电压，沟道就会有电流流过，电流方向既可以是S->D，也可以是D->S，双向导通。不过对于N沟道的MOS换来说，大家只会选择D->S这个方向。


形成这个最小导电沟道的Ugs电压称之为Ugs(th)，即开启阈值电压。这个参数我们能够在MOSFET的手册中找到，如下图所示。图中这款MOSFET在Vgs=Vds的情况下Vgs(th)max=2.5V，但此时的Id电流仅仅只有250μA。这种电流显然不满足我们大多数的使用场景，我们得需要更大的电流才行。


细心的同学们可以发现，Vgs(th)max=2.5V仅仅是Tj=25℃时的参数，那如果我的产品有比较宽的温度范围，那还能按照Vgs(th)max=2.5V去设计吗？显然是不能的，因为半导体载流子的流动特性和外界的温度环境是直接相关的，所以我们可以在手册中找到如下曲线图。


对于N沟道MOSFET来说，温度越高，Vgs(th)越小，温度越低，Vgs(th)越大。那P沟道增强型MOSFET呢？所谓P沟道就是把原来的导电N沟道换成导电P沟道。换句话说NMOS是P型衬底，S极和D极是N型半导体。PMOS就是N型衬底，S极和D极是P型半导体。NMOS需要在Vgs施加正压才能形成导电N沟道，PMOS需要在Vgs施加负压才能形成导电P沟道。P沟道的控制方式只有Vgs正负压的差别。

增强型和耗尽型的区别

增强型MOSFET的出厂默认状态是不导通的，若要开启需要在施加Vgs开启电压才能形成到导电沟道。耗尽型MOSFET的默认状态就已经存在导电沟道了，即使是你没有施加Vgs电压。


举例：如果你现在使用的是一款N沟道耗尽型MOSFET，那Vgs就不是纯粹的开启控制电压了，而是导电沟道宽度控制电压。若给Vgs施加正压会增大导电沟道的宽度，施加负压会减小导电沟道的宽度，直到关闭。P沟道则与N沟道的控制方式相反。

读到这里大家应该都知道了MOS管Vgs的使用方法：使用MOS管必须要让Vgs＞Vgs(th)max，温度越高，Vgs(th)越小，Vgs越大，导电沟道越宽，Rds越小。

但其实，对于很多场景，我们比较关注Ids电流这个参数。理想情况下，当我们给一个大于Vgs(th)的电压，Ids电流应该是会跟着Vds线性增长，但是事实好像并不会这样。

MOSFET导电沟道的预夹断

假设此时我们正在使用一个Vgs(th)max=2V的N沟道增强型MOS管。给它施加一个5V的Vgs电压，那MOS管就会在S极和D极之间形成了一个均匀等宽的导电沟道。接着在D极施加一个Vds=3V的电压，这时候我们的导电沟道就会变成下图所示的斜坡型，导电沟道右侧出现了预夹断的现象，限制了整个导电沟道宽度。那为什么会产生这个预夹断现象呢？罪魁祸首就是Vds电压。


经过前面描述我们知道，导电沟道的宽度和Vgs电压成正比。在仅有Vgs电压的情况下，G极下面的每一处电场强度相对于衬底的强度都是一样的，所以导电沟道宽度都是等宽的。

此时我们施加的Vds电压是均匀的压在整个导电沟道的，所以导电沟道靠近D极的电压最高，靠近S极的电压最低。我们把整个沟道都想象成S极，此时沟道最左边靠近S极的S(L)处的电压和S极一样，接近0V。沟道最右边靠近D极的S(R)处的电压和D极一样，接近3V。


我们可以得出S(L)处的Ugs=5V-Usl=5-0=5V，S(R)处的Ugs=5V-Usr=5-3=2V，S(R)处的Ugs电压正好等于MOS管的Vgs(th)=2V，所以产生了预夹断的现象。预夹断并不是真的把沟道夹断，而是似断非断的状态。预夹断后，Ids电流将不会随着Uds电压的增加而增加。

说了那么多就是为了方便大家理解下面这张MOS管的伏安特性曲线，这张曲线图有线性区和饱和区。我们使用控制变量法，保持Vgs不变，随着Vds的增加，根据上面所说的沟道预夹断过程，Ids电流虽会随着一起增加，但从曲线斜率可以看出Rds电阻在不断地变大。直到Vgs-Vds=Vgs(th)，导电沟道产生预夹断，此时电流将不再增加，进入饱和区。


我们可以推出Vgs电压和Vds电压的关系：
  1. Vgs-Vds＞Vgs(th)时，导电沟道右侧没有达到预夹断状态，此时Ids电流会随Vds电压的增大而增大；
  2. Vgs-Vds≤Vgs(th)时，导电沟道右侧已经达到预夹断状态，此时Ids电流几乎不会随Vds电压的改变而改变；

如果把MOS管当开关用，应该让MOS管工作线性区还是饱和区呢？千万不要和BJT搞混了，MOS管只有在线性区才能有更小的Rds导通电阻，BJT在饱和区才有最小的导通压降。

总结

  1. MOS管由于导通时，电流没有经过PN结，可以做到更低的功耗；
  2. 增强型MOS管出厂的默认状态是没有导电沟道的，需要外部施加Vgs电压才能形成导电沟道。耗尽型MOS管出厂的默认状态是已经有导电沟道的，需要外部施加Vgs电压去关闭沟道或调节沟道宽度；
  3. Vgs电压决定了MOS管有没有沟道以及沟道的“强弱”，Vds决定了MOS管处于哪个工作区，Ids是Vgs和Vds共同作用的结果；
  4. 对增强型NMOS，基本判据为：
    Vgs < Vgs(th) ，MOS管处于截止区，没有导电沟道；
    Vgs > Vgs(th)， 且 Vgs-Vds＞Vgs(th)，MOS管处于线性可调电阻区；
    Vgs > Vgs(th) 且 Vgs-Vds≤Vgs(th) ，MOS管处于饱和恒流区，沟道形成夹断；
  5. 夹断后，Ids的电流将不随Vds的增大而增大，若要增大Ids只能增大Vgs；
  6. MOS管当开关用，要工作在线性区。BJT当开关用，要工作在饱和区。

有条件的话可以尽量把Vgs给高一点，但是千万别超过最大耐受电压。一般MOS管的最大耐受电压是±20V。像开关关电源的功率MOS管由于需要降低导通损耗，以及通过较大电流，一般的G极驱动电压都是12V-15V。对于做逻辑电平转换器件，可适当降低驱动电压。

最后再回答一下开头的问题，MOSFET只要Vgs大于开启阈值就万事大吉了吗？答案显然不是。首先Vgs电压不能只简单大于手册上标注的最大开启阈值，要考虑温度的影响，以及你所需的Ids电流和Vds电压综合考虑。

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