栅极、源极与漏极
用电场控制负载
MOSFET 是 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,即金属氧化物半导体场效应晶体管:绝缘栅极的电场控制导电沟道。这个 n 沟道示例中,电子是带负电的载流子;栅极负责控制,源极接 0 V,漏极接负载。毫瓦(mW)是千分之一瓦特。
实验台
改变电路设置,预测读数,再检查挑战结果。这些是教学模型,每课都会说明模型的假设。
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工作原理
教学开关:栅极电压达到 3 V 时导通电阻为 2 Ω,否则断开。不模拟真实曲线、栅极电容或体二极管;真实阈值电压不保证完全导通。 G、D、S 分别标记栅极、漏极、源极。VGS 是栅源电压(这里记作 Vg);VDS 是漏源电压,由于源极为 0 V,这里也等于漏极电压。
Vg 是栅极相对源极的电压,Vs 是电源电压,RL 是负载电阻。导通时 I = Vs/(RL + 2 Ω),漏极电压 = I × 2 Ω,开关损耗 = I² × 2 Ω。栅极提供控制,负载能量来自电源。
难度
搭建 · 搭建电路
开启 5 V 电源,栅极 0 V,负载 100 Ω。保持负载关闭。
需要提示?
Vs = 5 V; Vg = 0 V; RL = 100 Ω → 0 mA
探索 · 改变一个参数
保持电源 5 V、负载 100 Ω,栅极设为 5 V。读出约 49.02 mA。
需要提示?
Vs = 5 V; Vg = 5 V; RL = 100 Ω → 49.02 mA
独立解题 · 完成挑战
电源 12 V、栅极 5 V 时,得到 20–30 mA,开关损耗不超过 2 mW。
需要提示?
Vs = 12 V; Vg = 5 V; RL = 400 Ω → 29.85 mA; 1.782 mW
延伸阅读与电路配方
用电场控制负载
有用的规律
理想绝缘栅极在稳定状态不取电流,但真实栅极切换时要对电容充放电。
模型之外
导通电阻的损耗是 I²R:固定电阻时,电流加倍使发热功率变为四倍。
值得避开的误区
阈值电压说明开始导电,不是让任意负载都能完全导通的通用栅极电压。
导通电阻不变,负载电流加倍。开关损耗会…
- 减半
- 加倍
- 变为四倍
延伸阅读
损耗是 I²R,二的平方等于四。