MOSFET的工作原理

自1976年开发出功率MOSFET(PowerMOSFET)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“LittleFoot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MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor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(PowerMOSFET)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。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“LittleFoot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MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor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(PowerMOSFET)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(