功率MOSFET的結構,工作原理及應用

本文將介紹功率MOSFET(場效應管)的結構、工作原理及基本工作電路。

什么是MOSFET(場效應管)

“MOSFET(場效應管)”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導體場效應管”。它是由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導體三種材料制成的器件。所謂功率MOSFET(場效應管)(Power MOSFET(場效應管))是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用于功率輸出級的器件。

MOSFET(場效應管)的結構

圖1是典型平面N溝道增強型MOSFET(場效應管) 的剖面圖。它用一塊P型硅半導體材料作襯底(圖la)，在其面上擴散了兩個N型區(圖lb)，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiQ2)絕緣層(圖lc)，最 后在N區上方用腐蝕的方法做成兩個孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內做成三個電極：G(柵極)、S(源極)及D(漏極)，如圖1d所示。

從圖1中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個PN結。一般情況下，襯底與源極在內部連接在一起。

圖1是N溝道增強型MOSFET(場效應管)的基本結構圖。為了改善某些參數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等有 不同的結構及工藝，構成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結構。圖2是一種N溝道增強型功率MOSFET(場效應管)的結構圖。雖然有不同的結構，但其 工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。

MOSFET(場效應管)的工作原理
要使增強型N溝道MOSFET(場效應管)工作，要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。如圖3所示（上面↑）。

若先不接VGS(即VGS＝0)，在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結處于反向，因此漏源之間不能導電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時可以將柵極與襯底看作電容器的兩個極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質。當加上VGS時，在絕緣層和柵極界面上感應出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應出負電荷(如圖3)。這層感應的負電荷和P型襯底中的多數載流子(空穴)的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區連接起來形成導電溝道。當VGS電壓太低時，感應出來的負電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時，漏源之間仍然無電流ID。當VGS增加到一定值時，其感應的負電荷把兩個分離的N區溝通形成N溝道，這個臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓)，用符號VT表示(一般規定在ID＝10uA時的VGS作為VT)。當VGS繼續增大，負電荷增加，導電溝道擴大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線性關系，如圖4所示。此曲線稱為轉換特性。因此在一定范圍內可以認為，改變VGS來控制漏源之間的電阻，達到控制ID的作用。

由于這種結構在VGS＝0時，ID＝0，稱這種MOSFET(場效應管)為增強型。另一類MOSFET(場效應管)，在VGS＝0時也有一定的ID(稱為IDSS)，這種MOSFET(場效應管)稱為耗盡型。它的結構如圖5所示，它的轉移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓(ID＝0)。

耗盡型與增強型主要區別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應出較多的負電荷，即在兩個N型區中間的P型硅內形成一N型硅薄層而形成一導電溝道，所以在VGS＝0時，有VDS作用時也有一定的ID(IDSS)；當VGS有電壓時(可以是正電壓或負電壓)，改變感應的負電荷數量，從而改變ID的大小。VP為ID＝0時的-VGS，稱為夾斷電壓。

除了上述采用P型硅作襯底形成N型導電溝道的N溝道MOSFET(場效應管)外，也可用N型硅作襯底形成P型導電溝道的P溝道MOSFET(場效應管)。這樣，MOSFET(場效應管)的分類如圖7所示。

　　耗盡型：N溝道(圖7a)；P溝道(圖c)；
　　增強型：N溝道（圖b)；P溝道(圖d)。

為防止MOSFET(場效應管)接電感負載時，在截止瞬間產生感應電壓與電源電壓之和擊穿MOSFET(場效應管)，一般功率MOSFET(場效應管)在漏極與源極之間內接一個快速恢復二極管，如圖8所示。

功率MOSFET(場效應管)的特點
功率MOSFET(場效應管)與雙極型功率相比具有如下特點：

1. MOSFET(場效應管)是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅動大電流時無需推動級，電路較簡單；
2. 輸入阻抗高，可達108Ω以上；
3. 工作頻率范圍寬，開關速度高(開關時間為幾十納秒到幾百納秒)，開關損耗小；
4. 有較優良的線性區，并且MOSFET(場效應管)的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響；
5. 功率MOSFET(場效應管)可以多個并聯使用，增加輸出電流而無需均流電阻。
   

功率MOSFET(場效應管)典型應用電路

1．電池反接保護電路
電池反接保護電路如圖9所示。一般防止電池接反損壞電路采用串接二極管的方法，在電池接反時，PN結反接無電壓降，但在正常工 作時有0.6～0.7V的管壓降。采用導通電阻低的增強型N溝道MOSFET(場效應管)具有極小的管壓降(RDS(ON)×ID)，如Si9410DY的RDS(ON）約為0.04Ω，則在lA時約為0.04V。這時要注意在電池正確安裝時，ID并非完全通過管內的二極管，而是在VGS≥5V時，N導電溝道暢通(它相當于一個極小的電阻)而大部分電流是從S流向D的(ID為負)。而當電池裝反時，MOSFET(場效應管)不通，電路得以保護。

2．觸摸調光電路
一種簡單的觸摸調光電路如圖10。當手指觸摸上觸頭時，電容經手指電阻及100k充電，VGS漸增大，燈漸亮；當觸摸下觸頭時，電容經100k及手指電阻放電，燈漸暗到滅。

3．甲類功率放大電路
由R1、R2建立VGS靜態工作點(此時有一定的ID流過)。當音頻信號經過C1耦合到柵極，使產生-△VGS，則產生較大的△ID，經輸出變壓器阻抗匹配，使4～8Ω喇叭輸出較大的聲功率。圖ll中Dw為9V穩壓二極管，是保護G、S極以免輸入過高電壓而擊穿。從圖中也可以看出，偏置電阻的數值較大，因為柵極輸入阻抗極高，并且無柵流。

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