基于功率場效應管（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。

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)。