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功率MOSFET主要用于计算机外设(软、硬驱动(dong)器(qi)、打印(yin)机、绘(hui)图机)、电源(AC／DC变(bian)换(huan)器(qi)、DC／DC变(bian)换(huan)器(qi))、汽车电子、音响电路及仪器(qi)、仪表等领域。

本(ben)(ben)文将介绍功率MOSFET的结构、工(gong)作(zuo)(zuo)原理及(ji)基本(ben)(ben)工(gong)作(zuo)(zuo)电路(lu)。

什么是(shi)MOSFET

“MOSFET”是(shi)英文(wen)MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写(xie)，译(yi)成中文(wen)是(shi)“金属氧化物半导(dao)体场效应管”。它是(shi)由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导(dao)体三种材料制成的器(qi)件。所谓(wei)功率MOSFET(Power MOSFET)是(shi)指它能输出较(jiao)大的工作电流(几(ji)安到几(ji)十安)，用于功率输出级(ji)的器(qi)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(kan)出(chu)栅极G与漏(lou)极D及源(yuan)极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一(yi)般情况(kuang)下，衬底与源(yuan)极在(zai)内部连接在(zai)一(yi)起。

图1是N沟(gou)道增强型MOSFET的(de)(de)基(ji)本结(jie)(jie)构(gou)(gou)(gou)图。为了(le)改善某些参(can)数的(de)(de)特(te)性，如提(ti)高(gao)(gao)工(gong)(gong)作(zuo)电(dian)流(liu)、提(ti)高(gao)(gao)工(gong)(gong)作(zuo)电(dian)压、降(jiang)低导通电(dian)阻、提(ti)高(gao)(gao)开(kai)关特(te)性等(deng)(deng)有(you)不(bu)同的(de)(de)结(jie)(jie)构(gou)(gou)(gou)及工(gong)(gong)艺，构(gou)(gou)(gou)成所谓(wei)VMOS、DMOS、TMOS等(deng)(deng)结(jie)(jie)构(gou)(gou)(gou)。图2是一(yi)种N沟(gou)道增强型功率MOSFET的(de)(de)结(jie)(jie)构(gou)(gou)(gou)图。虽(sui)然有(you)不(bu)同的(de)(de)结(jie)(jie)构(gou)(gou)(gou)，但(dan)其工(gong)(gong)作(zuo)原理是相同的(de)(de)，这里就不(bu)一(yi)一(yi)介绍了(le)。

MOSFET的工(gong)作(zuo)原理

要(yao)使增强型(xing)N沟道MOSFET工(gong)作，要(yao)在G、S之间(jian)加(jia)(jia)正电(dian)(dian)压VGS及在D、S之间(jian)加(jia)(jia)正电(dian)(dian)压VDS，则产(chan)生正向工(gong)作电(dian)(dian)流ID。改变VGS的电(dian)(dian)压可控(kong)制工(gong)作电(dian)(dian)流ID。如图3所示(shi)（上(shang)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(you)于这种(zhong)结构(gou)在(zai)VGS＝0时(shi)(shi)，ID＝0，称(cheng)这种(zhong)MOSFET为增强型。另一(yi)类MOSFET，在(zai)VGS＝0时(shi)(shi)也有一(yi)定的ID(称(cheng)为IDSS)，这种(zhong)MOSFET称(cheng)为耗尽型。它的结构(gou)如图5所(suo)示，它的转(zhuan)移(yi)特性(xing)如图6所(suo)示。VP为夹断电压(ID＝0)。

耗尽型(xing)与增强型(xing)主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大(da)量的(de)(de)正离子，使在P型(xing)衬底的(de)(de)界面上感应(ying)出(chu)较多的(de)(de)负(fu)电荷，即在两个N型(xing)区中间的(de)(de)P型(xing)硅内(nei)形成一N型(xing)硅薄层而(er)(er)形成一导(dao)电沟道，所以在VGS＝0时，有VDS作用时也有一定的(de)(de)ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负(fu)电压)，改变(bian)感应(ying)的(de)(de)负(fu)电荷数量，从而(er)(er)改变(bian)ID的(de)(de)大(da)小(xiao)。VP为ID＝0时的(de)(de)-VGS，称(cheng)为夹断电压。

除了上述采用P型(xing)硅(gui)作衬(chen)底形(xing)成N型(xing)导电沟道的(de)N沟道MOSFET外，也可用N型(xing)硅(gui)作衬(chen)底形(xing)成P型(xing)导电沟道的(de)P沟道MOSFET。这样，MOSFET的(de)分类(lei)如图7所示。

耗尽型：N沟道(图7a)；P沟道(图c)；

增强型：N沟(gou)道（图b)；P沟(gou)道(图d)。

为防止MOSFET接电(dian)感(gan)负载(zai)时，在截(jie)止瞬(shun)间产(chan)生感(gan)应电(dian)压(ya)与电(dian)源(yuan)电(dian)压(ya)之和击穿MOSFET，一般功(gong)率MOSFET在漏极(ji)与源(yuan)极(ji)之间内接一个(ge)快速恢复二极(ji)管(guan)，如图8所示。

功率MOSFET的特点

功率MOSFET与双极(ji)型功率相(xiang)比具有如(ru)下特点(dian)：

1．MOSFET是电(dian)压控(kong)(kong)制(zhi)型器件(jian)(双(shuang)极型是电(dian)流控(kong)(kong)制(zhi)型器件(jian))，因此(ci)在驱(qu)动大电(dian)流时无需(xu)推动级，电(dian)路较简单；

2．输(shu)入阻抗高，可达(da)108Ω以(yi)上；

3．工作频率范围(wei)宽(kuan)，开(kai)关(guan)(guan)速度(du)高(开(kai)关(guan)(guan)时间为几十纳秒(miao)到几百纳秒(miao))，开(kai)关(guan)(guan)损耗小；

4．有较优良的线性区(qu)，并且MOSFET的输入电容(rong)比(bi)双(shuang)极(ji)型的输入电容(rong)小得(de)多，所(suo)以它(ta)的交流输入阻抗极(ji)高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；

5．功率(lv)MOSFET可以多个并(bing)联使用，增(zeng)加输出电流而无(wu)需均流电阻。

典(dian)型应用电路

1．电池反(fan)接保护电路

电(dian)(dian)池反(fan)接保护电(dian)(dian)路(lu)(lu)如图9所(suo)示(shi)。一(yi)般(ban)防止(zhi)电(dian)(dian)池接反(fan)损坏电(dian)(dian)路(lu)(lu)采用串接二极管(guan)的方法，在电(dian)(dian)池接反(fan)时(shi)，PN结反(fan)接无电(dian)(dian)压降(jiang)(jiang)，但在正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)时(shi)有0.6～0.7V的管(guan)压降(jiang)(jiang)。采用导通电(dian)(dian)阻低的增强型N沟道(dao)MOSFET具有极小的管(guan)压降(jiang)(jiang)(RDS(ON)×ID)，如Si9410DY的RDS(ON）约为0.04Ω，则在lA时(shi)约为0.04V。这(zhei)时(shi)要(yao)注意在电(dian)(dian)池正(zheng)确安(an)装(zhuang)时(shi)，ID并(bing)非(fei)完全(quan)通过管(guan)内的二极管(guan)，而(er)是在VGS≥5V时(shi)，N导电(dian)(dian)沟道(dao)畅通(它相(xiang)当(dang)于(yu)一(yi)个极小的电(dian)(dian)阻)而(er)大部分(fen)电(dian)(dian)流是从S流向D的(ID为负)。而(er)当(dang)电(dian)(dian)池装(zhuang)反(fan)时(shi)，MOSFET不通，电(dian)(dian)路(lu)(lu)得以保护。

2．触摸调(diao)光电路

一(yi)种简单的触摸调光(guang)电(dian)路如图10。当手指触摸上触头时，电(dian)容(rong)经手指电(dian)阻及(ji)100k充电(dian)，VGS渐增(zeng)大，灯渐亮；当触摸下触头时，电(dian)容(rong)经

100k及(ji)手指电阻(zu)放(fang)电，灯(deng)渐暗(an)到(dao)灭。

3．甲(jia)类功率放大电路

由(you)R1、R2建(jian)立(li)VGS静态工作点(此(ci)时有一定(ding)的ID流(liu)过(guo))。当音频信号经(jing)(jing)过(guo)C1耦合到栅(zha)(zha)极，使(shi)产(chan)生(sheng)-△VGS，则产(chan)生(sheng)较大的△ID，经(jing)(jing)输出变压(ya)器(qi)阻抗匹(pi)配，使(shi)4～8Ω喇叭输出较大的声(sheng)功(gong)率。图ll中Dw为(wei)9V稳压(ya)二(er)极管，是保(bao)护G、S极以(yi)免输入过(guo)高电压(ya)而击穿。从(cong)图中也可以(yi)看出，偏置电阻的数值较大，因为(wei)栅(zha)(zha)极输入阻抗极高，并(bing)且无栅(zha)(zha)流(liu)。

4.工艺

为了进步垂直沟道消费工艺的稳定性，双扩散工艺应运而生(Double-diffu-sion Structure)，这是功率MOSFET半导体开展上(shang)最胜(sheng)利的(de)商(shang)业设计(ji)之一，这种(zhong)工(gong)艺(yi)(yi)一经呈现，逐步(bu)成为(wei)功率(lv)MOSFET主流生(sheng)产工(gong)艺(yi)(yi)，这就是DMOS(Double-diffusedMetal Oxide Semiconductor，双扩散MOS)，DMOS在需求高电压(ya)、大电流的(de)CMOS工(gong)艺(yi)(yi)中也常(chang)(chang)常(chang)(chang)被采用。

所(suo)谓双(shuang)扩散(san)，就是以外(wai)(wai)延层(Epitaxial Layer)为根底，采(cai)用外(wai)(wai)延扩散(san)工艺(yi)(yi)陆续生长出“P-”慕区和“N+”源区，等于是采(cai)用了两次(ci)扩散(san)外(wai)(wai)延工艺(yi)(yi)，双(shuang)扩散(san)由此(ci)得名

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