MOSFET计算器

为电路设计和分析计算MOSFET电气参数。

输入栅源电压、漏源电压、阈值电压和设备参数，计算漏极电流、跨导和功率损耗。

示例

点击任何示例将其加载到计算器中。

增强型MOSFET

增强型MOSFET

在饱和区域工作的典型增强型MOSFET。

栅源电压: 3.3 V

漏源电压: 5.0 V

阈值电压: 1.0 V

跨导参数: 0.001 A/V²

沟道长度调制: 0.01 V⁻¹

耗尽型MOSFET

耗尽型MOSFET

具有负阈值电压的耗尽型MOSFET。

栅源电压: 2.0 V

漏源电压: 3.3 V

阈值电压: -1.0 V

跨导参数: 0.002 A/V²

沟道长度调制: 0.02 V⁻¹

低功耗MOSFET

低功耗MOSFET

用于电池供电应用的低功耗MOSFET。

栅源电压: 1.8 V

漏源电压: 2.5 V

阈值电压: 0.5 V

跨导参数: 0.0005 A/V²

沟道长度调制: 0.005 V⁻¹

高功率MOSFET

高功率MOSFET

用于开关应用的高功率MOSFET。

栅源电压: 5.0 V

漏源电压: 12.0 V

阈值电压: 2.0 V

跨导参数: 0.005 A/V²

沟道长度调制: 0.05 V⁻¹

其他标题
理解MOSFET计算器：综合指南
掌握MOSFET操作的基础知识，学习如何计算电子电路设计的关键电气参数。本指南涵盖从基本晶体管理论到高级器件建模的所有内容。

什么是MOSFET计算器？

  • 核心概念
  • MOSFET操作
  • 关键参数
MOSFET计算器是电子工程师、学生和爱好者在使用金属氧化物半导体场效应晶体管时的重要工具。它根据器件特性和工作条件计算关键电气参数，包括漏极电流、跨导、输出电导和功率损耗。MOSFET是现代电子产品中的基本组件，用于放大器、开关、电压调节器和数字电路。
理解MOSFET结构和操作
MOSFET由三个端子组成：栅极、源极和漏极。栅极通过薄氧化层与半导体沟道绝缘。当电压施加到栅极时，它产生控制源极和漏极之间沟道导电性的电场。阈值电压(Vth)是创建导电沟道所需的最小栅源电压。一旦Vgs超过Vth，电流就可以在漏极和源极之间流动，电流量由栅极电压控制。
关键电气参数
漏极电流(Id)是主要输出参数，由平方律关系确定：Id = K × (Vgs - Vth)² × (1 + λ×Vds)。跨导(gm)表示栅极电压每单位变化引起的漏极电流变化：gm = 2 × K × (Vgs - Vth)。输出电导(gds)考虑漏极电压对电流的影响：gds = λ × Id。功率损耗简单地是漏极电流和漏源电压的乘积：P = Id × Vds。
工作区域
MOSFET在三个主要区域工作：截止区(Vgs < Vth，无电流)、三极管/线性区(Vgs > Vth，Vds < Vgs - Vth，电阻行为)和饱和区(Vgs > Vth，Vds > Vgs - Vth，恒定电流)。计算器根据输入电压自动确定工作区域，并为每个区域提供适当的计算。

常见MOSFET类型：

  • 增强型：需要正Vgs才能开启(Vth > 0)
  • 耗尽型：零Vgs时导通，需要负Vgs才能关闭(Vth < 0)
  • N沟道：电子是多数载流子，正Vds
  • P沟道：空穴是多数载流子，负Vds

使用计算器的分步指南

  • 收集设备规格
  • 输入值
  • 解释结果
使用MOSFET计算器需要准确的设备规格和工作条件。按照以下步骤确保可靠的结果。
1. 确定工作电压
首先识别电路的工作电压。栅源电压(Vgs)决定MOSFET开启的强度。漏源电压(Vds)决定工作区域并通过沟道长度调制影响电流。确保Vgs大于Vth才能发生导通。
2. 查找设备参数
阈值电压(Vth)通常在设备数据表中指定。跨导参数(K)取决于工艺技术和器件几何形状，通常计算为K = (μ × Cox × W/L)/2，其中μ是载流子迁移率，Cox是氧化物电容，W/L是宽长比。沟道长度调制参数(λ)考虑漏极电压对沟道长度的影响。
3. 计算和分析结果
计算器将提供漏极电流、跨导、输出电导、功率损耗和工作区域。使用这些结果验证设备在安全限制内工作，计算放大器电路中的电压增益，并通过功率损耗分析确保适当的热管理。

典型参数范围：

  • 阈值电压(Vth)：增强型0.5V - 3V
  • 跨导参数(K)：0.0001 - 0.01 A/V²
  • 沟道长度调制(λ)：0.001 - 0.1 V⁻¹
  • 漏极电流：根据器件尺寸从μA到A

实际应用和电路设计

  • 放大器电路
  • 开关应用
  • 电力电子
MOSFET计算对无数电子应用至关重要，从简单开关到复杂集成电路。
放大器设计
在放大器电路中，跨导(gm)直接决定电压增益。共源放大器具有电压增益Av = -gm × Rd，其中Rd是漏极电阻。输出电导(gds)影响放大器的输出电阻和增益稳定性。理解这些参数对于设计具有所需增益、带宽和线性特性的放大器至关重要。
数字开关电路
在数字电路中，MOSFET作为开关工作，在截止区和三极管区之间转换。漏极电流计算有助于确定开关速度、功耗和驱动要求。对于高速开关，低阈值电压和高跨导是可取的，而功率效率需要仔细考虑漏电流和开关损耗。
电力电子
在电力电子中，MOSFET处理高电流和电压。功率损耗计算对热管理和可靠性至关重要。计算器有助于确定设备是否在其安全工作区域(SOA)内工作，以及是否需要额外的散热。功率MOSFET通常具有必须与功率损耗一起考虑的特定热阻规格。

常见误解和设计陷阱

  • 电压与电流控制
  • 工作区域混淆
  • 热考虑
MOSFET电路设计看似简单，但几个常见误解可能导致性能差或设备故障。
误解：MOSFET是电压控制电流源
虽然MOSFET通常被描述为电压控制设备，但栅极电压和漏极电流之间的关系并不完全线性。平方律关系意味着栅极电压的微小变化可能导致电流的大幅变化，特别是在阈值附近。这种非线性必须在模拟电路设计中考虑，并可能导致放大器失真。
陷阱：忽略工作区域
不同的工作区域需要不同的计算方法。在三极管区域，漏极电流强烈依赖于Vgs和Vds，而在饱和区，它主要由Vgs控制。混淆这些区域可能导致显著的计算错误。计算器自动确定工作区域，但理解区别对电路设计至关重要。
热管理考虑
MOSFET中的功率损耗产生必须管理的热量。计算的功率损耗表示设备中产生的热量。这种热量必须通过适当的散热传导出去，以防止设备故障。结温升可以计算为ΔT = P × Rth(j-a)，其中Rth(j-a)是从结到环境的热阻。

功率损耗示例：

  • 小信号MOSFET：0.1W - 1W(需要最小散热)
  • 中等功率MOSFET：1W - 10W(需要适度散热)
  • 高功率MOSFET：10W - 100W+(需要大量散热)

数学推导和示例

  • 平方律模型
  • 沟道长度调制
  • 高级模型
MOSFET计算器使用带沟道长度调制的平方律模型，为大多数应用提供准确性和简单性之间的良好平衡。
平方律模型推导
平方律关系来自渐近沟道近似，其中沟道电荷密度与(Vgs - Vth - V(x))成正比，其中V(x)是沿沟道的电压。从源极到漏极积分这种关系在饱和区产生Id = K × (Vgs - Vth)²。跨导是漏极电流相对于栅极电压的导数：gm = ∂Id/∂Vgs = 2 × K × (Vgs - Vth)。
沟道长度调制效应
沟道长度调制发生是因为有效沟道长度随着漏极电压增加而减少，导致漏极电流在饱和区随Vds略微增加。这种效应由因子(1 + λ×Vds)建模。输出电导是漏极电流相对于漏极电压的导数：gds = ∂Id/∂Vds = λ × Id。这种效应在短沟道器件中更明显。
限制和高级模型
平方律模型有局限性，特别是对于短沟道器件，其中速度饱和、迁移率退化和其他效应变得重要。为了更准确的建模，BSIM(伯克利短沟道IGFET模型)等高级模型考虑这些效应。然而，平方律模型提供了对器件行为的出色洞察，对大多数电路设计应用是足够的。

模型准确性：

  • 长沟道器件：平方律模型非常准确
  • 短沟道器件：推荐高级模型
  • 高频操作：寄生效应重要
  • 功率器件：必须考虑热效应