功率MOSFET的基本知识

自1976年开发出功率MOSFET以来， 由于半导体工艺技术的发展， 它的性能不断提高：如高压功率MOSFET其工作电压可达1000V；低导通电阻MOSFET其阻值仅lOmΩ；工作频率范围从直流到达数兆赫；保护措施越来越完善；并开发出各种贴片式功率MOSFET(如Siliconix最近开发的厚度为1.5mm“Little Foot系列)。另外， 价格也不断降低， 使应用越来越广泛， 不少地方取代双极型晶体管。
功率MOSFET主要用于计算机外设(软、 硬驱动器、 打印机、 绘图机)、 电源(AC／ DC变换器、 DC／ DC变换器)、 汽车电子、 音响电路及仪器、 仪表等领域。
本文将介绍功率MOSFET的结构、 工作原理及基本工作电路。
什么是MOSFET“MOSFET”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写， 译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、 氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。所谓功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)， 用于功率输出级的器件。
MOSFET的结构图1是典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底(图la)， 在其面上扩散了两个N型区(图lb)， 再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc)， 最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔， 用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极)、 S(源极)及D(漏极)， 如图1d所示。

从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的， D与S之间有两个PN结。一般情况下， 衬底与源极在内部连接在一起。图1是N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性， 如提高工作电流、 提高工作电压、 降低导通电阻、 提高开关特性等有不同的结构及工艺， 构成所谓VMOS、 DMOS、 TMOS等结构。图2是一种N沟道增强型功率MOSFET的结构图。虽然有不同的结构， 但其工作原理是相同的， 这里就不一一介绍了。
MOSFET的工作原理要使增强型N沟道MOSFET工作， 要在G、 S之间加正电压VGS及在D、 S之间加正电压VDS， 则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图3所示（上面↑） 。
若先不接VGS(即VGS＝0)， 在D与S极之间加一正电压VDS， 漏极D与衬底之间的PN结处于反向， 因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板， 而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时， 在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷， 而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷(如图3)。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反， 所以称为“反型层”， 这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时， 感应出来的负电荷较少， 它将被P型衬底中的空穴中和， 因此在这种情况时， 漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时， 其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道， 这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、 门限电压)， 用符号VT表示(一般规定在ID＝10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大， 负电荷增加， 导电沟道扩大， 电阻降低， ID也随之增加， 并且呈较好线性关系， 如图4所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为， 改变VGS来控制漏源之间的电阻， 达到控制ID的作用。

由于这种结构在VGS＝0时， ID＝0， 称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET， 在VGS＝0时也有一定的ID(称为IDSS)，这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图5所示， 它的转移特性如图6所示。VP为夹断电压(ID＝0)。

耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子， 使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷， 即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道， 所以在VGS＝0时， 有VDS作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负电压)， 改变感应的负电荷数量， 从而改变ID的大小。VP为ID＝0时的-VGS， 称为夹断电压。除了上述采用P型硅作衬底形成N型导电沟道的N沟道MOSFET外， 也可用N型硅作衬底形成P型导电沟道的P沟道MOSFET。这样， MOSFET的分类如图7所示。

耗尽型：N沟道(图7a)；P沟道(图c)；
增强型：N沟道（图b)；P沟道(图d)。

为防止MOSFET接电感负载时， 在截止瞬间产生感应电压与电源电压之和击穿MOSFET， 一般功率MOSFET在漏极与源极之间内接一个快速恢复二极管， 如图8所示。
功率MOSFET的特点功率MOSFET与双极型功率相比具有如下特点：1． MOSFET是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)， 因此在驱动大电流时无需推动级， 电路较简单；2． 输入阻抗高， 可达108Ω以上；3． 工作频率范围宽， 开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)， 开关损耗小；4． 有较优良的线性区， 并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多， 所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；5． 功率MOSFET可以多个并联使用， 增加输出电流而无需均流电阻。
典型应用电路

1． 电池反接保护电路电池反接保护电路如图9所示。一般防止电池接反损坏电路采用串接二极管的方法， 在电池接反时， PN结反接无电压降， 但在正常工 作时有0.6～0.7V的管压降。采用导通电阻低的增强型N沟道MOSFET具有极小的管压降(RDS(ON)×ID)， 如Si9410DY的RDS(ON） 约为0.04Ω， 则在lA时约为0.04V。这时要注意在电池正确安装时， ID并非完全通过管内的二极管， 而是在VGS≥5V时， N导电沟道畅通(它相当于一个极小的电阻)而大部分电流是从S流向D的(ID为负)。而当电池装反时， MOSFET不通， 电路得以保护。
2． 触摸调光电路一种简单的触摸调光电路如图10。当手指触摸上触头时， 电容经手指电阻及100k充电， VGS渐增大， 灯渐亮；当触摸下触头时， 电容经100k及手指电阻放电， 灯渐暗到灭。
3． 甲类功率放大电路由R1、 R2建立VGS静态工作点(此时有一定的ID流过)。当音频信号经过C1耦合到栅极， 使产生-△VGS， 则产生较大的
△ID， 经输出变压器阻抗匹配， 使4～8Ω喇叭输出较大的声功率。图ll中Dw为9V稳压二极管， 是保护G、 S极以免输入过高电压
而击穿。从图中也可以看出， 偏置电阻的数值较大， 因为栅极输入阻抗极高， 并且无栅流。