MOSFET的

这篇有关金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的文章以前文“什么是二极管？”（ELEVATOR WORLD，2014 年 XNUMX 月）为基础。

金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 类似于之前出现的结型场效应晶体管 (JFET)。 在 MOSFET 中，栅极通过一层二氧化硅与器件的其余部分绝缘。 （最初，绝缘材料是一种金属氧化物。尽管发生了变化，但旧名称仍然存在。）如果您了解绝缘栅在结构和电气方面的工作原理以及随后的所有含义，您就会理解 MOSFET 到为电子设备提供服务的程度包含该设备的设备将很简单。

学习目标

阅读本文后，您应该了解：
♦ MOSFET 和 JFET 之间的异同
♦ 如何安全处理 MOSFET
♦ MOSFET 可以运行的两种模式的重要性
♦ 如何切换电梯电机中的载流装置，使其按要求运行
♦ 当 MOSFET 用于电梯电机时以及如何防止电机绕组过早绝缘失效

基本属性

由于栅极和 n 型或 p 型沟道（NMOS 或 PMOS）之间的电势垒，MOSFET 的 DC 输入阻抗甚至高于 JFET：在 10-100 亿兆欧附近几乎不可思议。 将此与高压传输线周围绝缘层的典型 200 兆赫温度校正读数进行比较。 此外，该阻抗是介电层的特性，该介电层的厚度可能只有很少的原子。 由于电容是绝缘材料介电常数的函数，并且与其厚度成反比，因此我们可以根据电气环境计算栅极沟道隐式电容器的电容在 2 fF 附近。

在 JFET 中，流过 MOSFET 通道的电流不是由流过输入电路的电流来调节的，如在双极晶体管中，而是由放置在栅极上的电压调节，参考 the source. 在如此小的电极上放置电荷所需的电流量只能说是微不足道的，因此 MOSFET 在上游器件的输出电路上几乎没有负载——也就是说，远低于 JFET。 另一种说法是 MOSFET 具有极高的输入阻抗，这说明了它在许多应用中的价值。 对于为其供电的设备，MOSFET 是不可见的。 同时，MOSFET 具有低输出阻抗，因此它又是一个刚性源极，几乎不会被其后级加载。 唯一的缺点是在处理 MOSFET 时需要小心，因为输入阻抗巨大，栅极和源极/漏极之间的介电势垒非常薄。 人体在刷玻璃或塑料物体时，如果不接地，往往会获得并保留在 MOSFET 环境中非常高的静电荷（具有透明的内部结构）。

保护 MOSFET

最重要的是，在从包装中取出替换 MOSFET 并准备将其焊接到位时，如果没有特别的预防措施，技术人员很可能会将设备转换为无用的硅片，以便当设备损坏时重新投入使用时，会发现它的工作效果并不比修理前好。 然而，MOSFET 不会表现出这种损坏的可见迹象。 为了防止这种不幸的发生，需要采取一些预防措施。 制造商通常将封装的 MOSFET 端子推入导电泡沫中或用铜线短路以防止静电荷积聚。 如果是这种情况，请在安装前保持设备分流。 处理 MOSFET 时，避免接触端子。 请勿让设备接触塑料或织物。 此外，请定期触摸接地良好的导电表面，以排出您可能积累的任何电位。

为了防止静电电荷，如果要处理 MOSFET，可以在工作现场连接市售接地手镯并佩戴。 你可以自己制作。 制作一个松配合的 8 AWG 裸实心铜线铜手镯，并将适当长度的 16 AWG 绝缘绞合线焊接到它上面，用于接地连接。 在远端连接用于音频设备类型的电话插孔。 将母插座安装在接地外壳上。 确保机箱不是可能变热的旧式浮地型。 您需要将设备接地直接连接回服务中的设备接地。 确保您的接地手镯没有机会与地面隔离，在这种情况下您可能会丢失 MOSFET，并且没有机会它会变热，在这种情况下您可能会失去自己。 在电力设备或任何可能接触危险电压的电路上工作时，请勿佩戴接地手镯。

破坏性静电荷或杂散电流的另一个来源可以是任何类型的电动工具，包括烙铁、钻头或电动焊锡吸盘。 烙铁的尖端应始终接地。 即使将压缩空气吹过印刷电路板也会产生静电荷，因此技术人员在执行此类任务时应始终注意附近的 MOSFET。

对 MOSFET 的静电损坏可能是潜伏的，因为损坏可能不会立即出现，但可能是潜伏的，在未来几天、几周或几个月内导致组件过早失效。 一种预防措施是加湿空气：例如，将一壶水放在工作区附近的电炉上煮沸。 潮湿的空气不断释放带电体的静电势，使其不会达到破坏性水平。

要设计或精通 CMOS 电路的故障排除和修复，必须了解它们的稳态和动态电气行为。

操作

与 MOSFET 相比，JFET 仅在一种模式下工作。 当栅极上的电压（参考 the source) 为 0，则通道的导电性与将要达到的一样。 然后（对于 n 型沟道器件），如果施加负电压，沟道变窄，导电性降低。 在称为“夹断”的某个级别（可在数据表中找到），通道关闭，设备将不再导通。 由于施加高于阈值电平的电压会导致电流减小，然后完全停止，因此有时会说 JFET 在耗尽模式下运行，但这个术语可能会产生误导，因为该器件没有其他模式。 JFET 应仅反向偏置。 如果它是正向偏置的，则仅通过最大化电源来限制电流，因此 JFET 将被破坏。

另一方面，MOSFET 可以在耗尽模式或增强模式下工作。 在增强模式下，当 0 V 在栅极上时，参考 the source，MOSFET 不导通。 如果施加的电压超过阈值电平，则器件开始导通，通道中的电流量以线性方式增加，直到饱和。 在耗尽模式下，MOSFET 的性能类似于 JFET。 当在栅极上施加的电压参考 the source 为 0，器件导通。 一旦电压上升到阈值水平以上，通道的导电性就会降低，直到发生夹断，此时电流不能流过通道。

总而言之，JFET 有两种变体：NMOS 和 PMOS，而 MOSFET 有四种类型：NMOS 耗尽型和增强型，以及 PMOS 耗尽型和增强型。 因为 MOSFET（除了与栅极相关的更坚固的绝缘层）在结构上与 JFET 相似，一旦您了解了其中一个的内部工作原理，您就会理解另一个。 然而，正是因为其高度绝缘的栅极允许额外的应用，MOSFET 具有一些重要的优势。 这就是 MOSFET 开始主导晶体管环境的原因。 这在集成电路 (IC) 领域最为明显。 事实上，我们今天所知的手持计算器和笔记本电脑/台式电脑如果没有 MOSFET 就不可能实现，既是分立器件，又是 IC 内部。

CMOS电路

目前的 MOSFET 技术除了 PMOS 和 NMOS 外，还涉及互补 MOSFET (CMOS) 电路。 即使 MOSFET 已经开始主导电子设备中的半导体使用，CMOS 配置仍然是数字和模拟应用最重要的设计策略。 原因是 CMOS 电路涉及的功率损耗要少得多，这等同于更少的散热和伴随的温升恶魔。 由于在 CMOS 实现中，每个 NMOS 都由一个 PMOS 补充（因此得名），这一事实使这种减少成为可能。 两个栅极和两个漏极连接在一起。 “CMOS”不是指单个半导体，例如二极管或 JFET，而是一种由相反（和互补）类型的 MOSFET（NMOS 和 PMOS）组成的电路类型。 该电路可以构建为独立配置来说明该概念，但通常部署在 IC 内，其中数亿个这些子电路可以在单个微芯片内连接在一起。

CMOS 技术中功耗较低的原因在于 PMOS 和 NMOS 串联连接。 当一个打开时，另一个关闭，因此串联组合不会消耗电流，除非在转换期间非常短暂。 当大量这些 CMOS 电路安装在一个小型 IC 封装中时，这种最小的散热是一个重要的优势，也是 CMOS 电路主宰微电子世界的原因。

信息可以采用模拟或数字形式。 适当的电子电路可以将任一格式转换为其对应格式。 这种转换发生的方式和地点至关重要，它决定了 CMOS 技术的使用范围。

数字统治

众所周知，数码设备已经在很多领域取代了模拟设备，比如消费类和专业相机。 然而，从被拍摄物体发出的辐射或反射光所传达的图像，就我们而言，是一种模拟现象，尽管有量子启示。

光线穿过传统的镜头和机械快门，使图像能够聚焦（在规定的时间内）在传感器上。 在这一点上，出现了两种不同的技术。 多年来，电荷耦合器件（CCD）在质量上具有决定性优势，但CMOS传感器已经改进到在关键领域占据主导地位的地步。 CMOS 传感器以更低的成本和更少的功率（转化为更长的电池寿命和更大的充电间隔）在消费类和专业数码相机中占据主导地位，仅举一个例子。

CCD 技术涉及沿阵列表面相邻电容器之间的电荷转移。 电荷通过阵列传输，出现在一个角落，模数转换器测量电荷量并创建二进制信息，为下载到计算机做准备。 CMOS 涉及在每个像素处使用多个 MOSFET 来捕获信息，以便将已经数字化的信息通过传统布线移动到印刷电路板。 这是可能的，因为正如我们所看到的，CMOS 电路中要散发的热量要少得多，因此可以在一个小芯片中容纳更多的设备。

与模拟/数字相机环境相比，在严格的数字 CMOS 技术中，输入和输出仅打开 (1) 和关闭 (0)。 如果设备打开，则它完全饱和：与模拟设备不同，它不是设计为在其响应曲线的线性部分内运行。 电压电平（代表 1）已经下降。 通常，接地（低电压）设置为 0 V。在过去的几十年中，1 被定义为 +5 伏，但此后逐渐设置得更低，以便可以实现超大规模集成 (VLSI)。

CMOS单级逻辑门是反相的，即输入为1时，输出为0，输入为0时，输出为1。要构造同相器件，需要有多个（一个偶数个）阶段。

CMOS 故障排除和维修

要设计或精通 CMOS 电路的故障排除和修复，必须了解它们的稳态和动态电气行为。 参数可在制造商的数据表中找到，包括逻辑电压电平、直流噪声、允许扇出、功耗、静电放电以及三态和开路输出。 为了将逻辑 1 视为输入，V1H(min) 不得低于制造商在数据表中规定的水平。 同样，任何设备都会有低电平输入电压、高电平输出电压和低电平输出电压。 畸变是由导致电路运行不稳定的噪声引起的。

“扇出”是一个风景如画的术语，它传达了逻辑门可以驱动的输入数量，而不会看到性能下降。 它是母设备的输出特性和驱动输入的数量，加上它们的负载特性，特别是它们的输入阻抗的函数。 低状态和高状态的扇出通常并不相同，因此最坏的情况才是最重要的。 随着频率的增加，允许的扇出越来越依赖于总并联电容，这当然是相加的。 对于总负载中的每个 CMOS 器件，传播延迟变得更大，因此需要计算该量并将其与允许的最大传播延迟进行比较。

如果输出负载超出其额定值，预计在低状态下输出会增加超过最大限制。 在高状态下，输出可能低于规格。 此外，传播延迟和上升和下降时间可能会变高。 最重要的是，注意温度上升，降低电路可靠性，并在短期内破坏 CMOS。 在 DC 状态下，由于上述 CMOS 电路配置，功耗低。 但是，随着频率的增加，这种优势就消失了。 对于任何给定的应用，检查制造商的数据表很重要。 该数字在大型阵列中上升，有必要确定电源和导体尺寸是否足够。

电梯技术人员关注的一个主要领域是主电梯电机。 由于速度控制和可逆性始终是因素，因此驾驶员问题变得突出。 唯一的驱动器只能是最小电机中的 MOSFET，例如无刷直流电机和步进电机。 因为它们吸收更多的电流，所以更大的电机需要功率半导体。 在任何情况下，载流设备都必须以某种方式进行切换，以使电机按需要运行。

在参考电机的电流要求时，必须始终意识到启动电流大于电机以额定速度运行所需的电流，即使在满载时也是如此。 这是因为在不转动时，没有“反向电磁场”，负载仅受电机绕组的欧姆电阻限制，远低于转动电枢引起定子磁场工作时的电阻。

意外的高电压可能会传送到电机绕组，在某些情况下会导致过早的绝缘失效。 电路板和引线电感会在电机电路中引起振铃，从而导致不需要的电压尖峰。 这种现象在高频下更为明显，但重要的是要认识到，电子或机械引起的快速启动和停止时间会做同样的事情，即使基本电能是直流电。 维修时注意更换接线，不要改变布线方式改变特性。 在电机正常运行时用示波器查看波形是个好主意，这样您就会知道会发生什么。 制作图纸或使用数字示波器保存图像并将其存档。

选择设备

为电机驱动器选择电源开关设备的第一步是参考电机铭牌和国家电气规范，以确定导体尺寸、断开和过流保护额定值。 假设该电路足以承载负载，则可以确定兼容的驱动器额定值，同时考虑系统电压、电流、相位和频率。

电源开关器件可能是 MOSFET 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。 最近，MOSFET 和 IGBT 已经取代了简单的双极晶体管，即使是达林顿形式。 这是因为，虽然双极晶体管是电流控制的，但电压​​控制的 MOSFET 和 IGBT 更易于设计和使用。 何时使用每个设备都是功耗和热损失的问题。 MOSFET 通常在传递给电机的系统电压低于 250 V 时使用。 IGBT 在 1,000 V 以上时效果更好。 在这些数字之间，管辖范围重叠，因此最好仔细检查所有参数，并酌情降低评级。

结语

我们已经看到 MOSFET 已经取代了曾经流行的双极结型晶体管。 处理时必须采取特殊预防措施，以避免可能在人体中积聚的静电荷或可能由未充分接地的电动工具传送的静电荷造成的损坏。 这些设备对烙铁产生的热量也很敏感，尤其是那些 CMOS 类型的设备。 话虽如此，这些组件是用户友好的，并且由于它们消耗的电流较少，因此在很大程度上取代了早期的固态设备。

MOSFET 使 VLSI 在 IC 中成为可能，这一事实说明了低成本计算机和我们生活中不可或缺的各种通信设备的可行性。 从紧凑型手机到使当今大城市成为现实的大型电梯阵列，MOSFET 发挥着关键作用。 对于我们这些每天使用电子设备工作的人来说，了解内部机制是一个很大的优势。 这种理解的关键之一是能够根据需要快速访问知识。 一个很大的帮助是印刷字。 在立即使用昂贵的设备时，一本教科书的成本很容易被证明是合理的。 此外，互联网上可以免费获得大量信息。 下次您在维修过程中感到困惑时，请尝试在 YouTube 搜索栏中输入品牌和型号。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第103期。
♦ JFET 和 MOSFET 的定义特征是什么？
♦ 为什么在处理 MOSFET 时需要特别的预防措施？
♦ 接地手镯如何工作？
♦ 为什么MOSFET 成为主导的半导体技术？
♦ CMOS 配置的优势是什么？