OhmPedia半导体器件金属氧化物半导体场效应管

金属氧化物半导体场效应管

MOSFET I_D = ½ k (V_GS − V_th)²

符号: I_D = ½ k (V_GS − V_th)²
单位: V_th in volts (1–4 V typical) · k in A/V² · R_DS(on) in milliohms
所属节: 半导体器件
发布: 2026-09-15
作者: 由 The Circuit Desk 编写

增强型 MOSFET 中，高于阈值的栅压使栅下半导体表面反型，形成导电沟道。由于栅极有绝缘层，稳态下没有栅极电流，因此器件由电压而非电流控制；其导通状态用电阻而不是饱和压降来描述。

电压控制型晶体管，用绝缘栅极决定漏源之间流过的电流。

支配关系式 I_D ≈ ½ k (V_GS − V_th)² P_gate = Q_g · V_GS · f_sw P_cond = I² · R_DS(on) V_th in volts (1–4 V typical) · k in A/V² · R_DS(on) in milliohms

阈值、过驱动与平方律

低于阈值时器件关断，仅有亚阈值漏电。高于阈值后漏极电流大致按栅极过驱动电压的平方上升：I_D ≈ ½k(V_GS − V_th)²。若阈值 3 V 却用 3.3 V 逻辑驱动，只剩 0.3 V 过驱动，沟道几乎通不了;同一只管子用 10 V 栅压驱动，导通电阻只有零点几欧。多数 MOSFET 电路失败的原因在于栅极驱动电压，而不在标称电流能力。

R_DS(on) 与温度的意外

导通电阻按 25 °C 标定，硅器件到 125 °C 时大致翻倍，因为载流子迁移率随温度下降。10 mΩ 的管子过 20 A，冷态耗散 4 W，热态 8 W。而正温度系数其实是好事：并联的 MOSFET 会自动均流，这点与 BJT 相反。

25 °C 的 R_DS(on)	125 °C 典型值	20 A 冷态耗散	20 A 热态耗散
5 mΩ	≈ 9 mΩ	2.0 W	3.6 W
10 mΩ	≈ 19 mΩ	4.0 W	7.6 W
40 mΩ	≈ 75 mΩ	16 W	30 W

栅极电荷才是真正的开关限制

栅极是电容，每次边沿都要消耗能量：P = Q_g · V_GS · f_sw。总栅极电荷 30 nC 的器件，栅压 10 V、开关频率 200 kHz，仅驱动就耗掉 60 mW，还没算导通损耗。该引用的参数是总栅极电荷而非栅极电容，因为前者已经包含了使栅压在漏压摆动期间停滞的米勒平台。

体二极管、雪崩与死区

每只 MOSFET 都含一个源漏之间的寄生二极管。它在低边开关中能钳住感性反冲，很方便，但速度慢且反向恢复带来额外损耗。在同步半桥中，两只管子必须在切换之间保持足够长的死区，绝不能同时导通——因为直通电流仅受两条沟道限制，微秒之内就会把两只管子全烧掉。

算例

一只低边 N 沟道 MOSFET 开关 12 V、5 A 负载，25 °C 时 R_DS(on) = 10 mΩ。冷态导通损耗 25 × 0.010 = 0.25 W；100 °C 时电阻约 16 mΩ，损耗 0.40 W。若结到环境热阻为 50 K/W，结温比环境高约 20 K，不加热片即可接受。若改用 3.3 V 逻辑脚经 100 Ω 栅极电阻驱动，栅极电容 2 nF 使上升时间约 200 ns；每次切换期间器件都经过压降 6 V、电流 2.5 A 的区域，平均功率 7.5 W 持续 200 ns，每个开关周期发生两次。

先读

二极管 Diode

相邻条目

双极结型晶体管 Bipolar Junction Transistor

架外延伸

MOSFET

Sources · 参考出处

Northern Illinois University https://nicadd.niu.edu/~fortner/course/phys375/lect/p375_05a.pdf
University of Mississippi http://www.phy.olemiss.edu/~cremaldi/PHYS417/DiodeBasics.pdf
Physics LibreTexts https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/University_Physics_(OpenStax)/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)