功率MOSFET的基本知識

1、自1976年開發(fā)出功率mosfet以來，由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，它的性能不斷提高：如高壓功率 mosfet其工作電壓可達(dá)1000v;低與通電阻mosfet其 阻值 僅lomiq;工作頻率范圍從直流到達(dá)數(shù)兆赫；保護(hù)措施越來越完善；并開發(fā) 出各種 貼片式功率 mosfet （如siliconix最近開發(fā)的厚度為1.5mm“l(fā)ittle foot系列）。另 外，價格也不斷降低，使應(yīng)用越來越廣泛，不少地方取代雙極型晶體管。功率mosfet主要用于計算機(jī)外設(shè) （軟、硬驅(qū)動器、打印機(jī)、繪圖機(jī)）、電 源（ac/dc變換器、dc/dc變換器）、汽車電子、音響電路及儀器、儀表等領(lǐng) 域。本文將介紹功率mosfe

2、t的結(jié)構(gòu)、工作原理及基本工作電路。什么是mosfet“mosfet 是英文 metaloxide semicoductor field effect transistor 的縮 寫,譯成中文是金屬氧化物半導(dǎo)體 場效應(yīng)管”。它是由金屬、氧化物 （sio2或 sin）及 半導(dǎo)體三種材料制成的器件。所謂功率mosfet （power mosfet ）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的結(jié)構(gòu)圖1是典型平面n溝道增強(qiáng)型mosfet的剖面圖。它用一塊p型硅半與體 材 料作襯底（圖la）,在其面上擴(kuò)散了兩個n型區(qū)（圖lb）,再在上面覆蓋一層二氧 化硅（siq2）絕

3、緣層（圖lc）,最后在n區(qū)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(nèi)做成三個電極：g （柵極）、s （源極）及d（漏極），如圖1d所示。bnckdipqhlll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(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。圖1是n溝道增強(qiáng)型mosfet的基本結(jié)構(gòu)圖。為了改善某些參數(shù)的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝，構(gòu)成所謂vmos、dmos、tmos等結(jié)構(gòu)。圖2是一種n溝道增強(qiáng)型功率 mosfet的結(jié)構(gòu)圖。雖然有不同的結(jié)構(gòu)，但其工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。

4、mosfet的工作原理要使增強(qiáng)型n溝道m(xù)osfet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(chǎn)生正向工作 電流id。改變vgs的電壓可控制工作 電 掩 id。如圖3所示（上面t）。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(jié)處于反向，因此漏源之間不能導(dǎo)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(zhì)。當(dāng)加上 vgs時，在絕緣層和柵極界面上感應(yīng)出正電 荷，而 在絕緣層和p型襯底界面上感應(yīng)出負(fù)電荷 （如圖3） o這層感應(yīng)的負(fù)電荷和 p型襯 底中

5、的多數(shù)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(qū)連接起來形成與電溝道。當(dāng) vgs電壓太低時，感應(yīng)出來 的負(fù)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(dāng)vgs增加到一定值時，其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個分離的n區(qū)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v t表示（一般規(guī) 定在id = 10ua時的vgs作為vt）。當(dāng)vgs繼續(xù)增大，負(fù)電荷增 力口，與電溝道擴(kuò) 大，電阻降低，id也隨之增加，并且呈較好線性關(guān)系，如圖 4所示。此曲線稱為轉(zhuǎn) 換特性。因此在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為，改變vgs來控制漏源之間

6、的電阻，達(dá)到控制id的作用。由于這種結(jié)構(gòu)在 vgs = 0時，id = 0,稱這種mosfet為增強(qiáng)型。另一類 mosfet,在vgs = 0時也有一定的id （稱為idss）,這種mosfet稱為耗盡型。它的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的轉(zhuǎn)移特性如圖6所示。vp為夾斷電壓（id = 0）。耗盡型與增強(qiáng)型主要區(qū)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(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個n型區(qū)中間的p型硅內(nèi)形成一n型硅薄層而形成一號電溝道，所以在 vgs = 0時，有vds作用時也有一定的id （idss）;當(dāng)vgs有電壓時（可以是正電壓或負(fù)電壓），改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變id的

7、大/除了上述采用p型硅作襯底形成 用n型硅作襯底形成p型與電溝道的vp為id = 0時的-vgs ,稱為夾斷電壓。n型與電溝道的 n溝道m(xù)osfet夕卜，也可p溝道m(xù)osfet。這樣，mosfet的分類耗盡型：n溝道（圖7a） ; p溝道（圖c）;增強(qiáng)型：n溝道（圖b） ; p溝道（圖d）為防止mosfet接電感負(fù)載時，在截止瞬間產(chǎn)生感應(yīng)電壓與電源電壓之和擊穿mosfet ,一般功率mosfet在漏極與源極之間內(nèi)接一個快速恢復(fù) 二極管,如圖8所示功率mosfet的特點(diǎn)功率mosfet與雙極型功率相比具有如下特點(diǎn)：1. mosfet是電壓控制型器件（雙極型是電流控制型器件）,因此在驅(qū)動大 電流時

8、無需推動級，電路較簡單；2?輸入阻抗高，可達(dá) 108 q以上；3?工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高（開關(guān)時間為幾十納秒到幾百納秒），開關(guān)損耗??；4 .有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且 mosfet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可以多個并聯(lián)使用，增加輸出 電流而無需均流電阻。典型 應(yīng)用電路1 ?電池反接保護(hù)電路電池反接保護(hù)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(jié)反接無電壓降，但在正常工 作時有0.6? 0.7v的管 壓降。采用與通電阻低的增強(qiáng)型 n溝道m(xù)osfet具有極小的管壓降（rds （o n） xid）,如si9410dy的rds （on）約為0.04莒則在ia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(nèi)的二極管，而是在 vg95v時， n導(dǎo)電溝道暢通（它相當(dāng)于一個極小的電阻）而大部分電流是從s流向d的（id為 負(fù)）。而當(dāng)電池裝反時，mosfet不通，電路得以保護(hù)。5 .觸摸調(diào)光電路一種簡單的觸摸調(diào)光電路如圖10。當(dāng)手指觸摸上觸頭時，電容經(jīng)手指電阻 及100k充電，vgs漸增大，燈漸亮；當(dāng)觸摸下觸頭時，電容經(jīng)100k及手指電阻放電，燈漸暗到滅。6 .甲類功率放大電路由r1、r2建立vgs靜態(tài)工作點(diǎn)（此時有一定的id流過）。當(dāng)音