重新认识CPU

MOSFET的负电压

一、MOSFET 的类型与阈值电压

首先，需要知道MOSFET有两种主要类型：

N沟道MOSFET：当 $V_{G S}$ 大于一个正的门槛值（阈值电压 $V_{t h}$ ，如+2V）时，管子开启。
P沟道MOSFET：当 $V_{G S}$ 小于一个负的门槛值（阈值电压 $V_{t h}$ ，如-2V）时，管子开启。
下面我们以最常用的N沟道增强型MOSFET为例，详细解析正负电压的作用。

二、正电压的作用

对于N-MOSFET，正电压是开启信号。

$V_{G S} > V_{t h}$ （正电压）：
- 作用：在栅极下方的硅表面形成一条导电沟道，连接源极和漏极。
- 结果：MOSFET开启，电流 $I_{D}$ 可以从漏极流向源极。
- 类比：就像用水闸拦住水，提升闸门（施加正 $V_{G S}$ ）让水流通过。

三、负电压的作用

对于N-MOSFET，负电压是强化关断、确保安全的信号。

$V_{G S} = 0 V$ ：
- 这是最基本的关断状态。对于很多简单应用，将栅极接地或悬空就足以关断管子。
$V_{G S} < 0 V$ （负电压）：
- 作用：它不仅不形成导电沟道，反而会进一步加强耗尽区，使得导电沟道更不可能形成。这被称为增强型关断。
- 为什么要用负电压？主要有三个重要原因：
1. 提高抗干扰能力，防止误导通
  - 场景：在开关电源或电机驱动等电路中，开关动作会产生巨大的电压和电流变化（噪声）。这些噪声可能通过米勒电容耦合到栅极，使 $V_{G S}$ 产生一个尖峰。
  - 风险：如果 $V_{G S} = 0 V$ ，一个+3V的噪声尖峰就可能让 $V_{G S}$ 超过+2V的阈值电压，导致MOSFET意外开启，造成短路或损坏。
  - 解决方案：施加一个负偏压，例如 $V_{G S} = - 5 V$ 。此时，同样的+3V噪声尖峰只会将 $V_{G S}$ 提升到 -2V，远低于开启阈值，确保了关断的可靠性。
2. 实现更快的关断速度
  - 原理：关断MOSFET需要将栅极电容的电荷放掉。从 0V 放电到 0V，驱动能力不强。而从 0V 放电到一个负电压（如-5V），提供了更大的“电压差”，能更快地抽走栅极电荷，从而缩短关断时间，降低开关损耗。
3. 在特殊结构中必需（如半桥/全桥的高边驱动）
  - 场景：在半桥电路中，高边N-MOS的源极电压是上下浮动的。当低边管导通时，高边管的源极电压会瞬间被拉到接近总线电压，这是一个很高的电压。
  - 问题：此时，如果要关断高边管，其 $V_{G S}$ 需要为0V或负压。但如果驱动电路参考地，高边管的栅极电压就需要被抬到和源极一样高，这很难实现。
  - 解决方案：使用专用的栅极驱动IC或自举电路，它们能产生一个相对于浮动源极的负电压，确保高边管能被可靠关断。

四、总结对比（以N-MOSFET为例）

$V_{G S}$ 状态	作用	应用场景
$V_{G S} > V_{t h}$ （正电压）	开启器件，形成导电沟道	任何需要让电流通过的情况
$V_{G S} = 0 V$	基本关断	对可靠性要求不高的简单开关电路
$V_{G S} < 0 V$ （负电压）	增强型关断	1. 高噪声环境（防止误导通） 2. 要求高速开关（加快关断） 3. 桥式电路（确保高边管关断）