從原理到具體電路，深入剖析MOSFET的工作方式

　　1.概述

　　MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

　　功率場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR， 但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

　　2.功率MOSFET的結構和工作原理

　　功率MOSFET的種類：按導電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為；耗盡型；當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道，增強型；對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。

　　2.1功率MOSFET的結構

　　功率MOSFET的內(nèi)部結構和電氣符號如圖1所示；其導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率mos管相同，但 結構上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向導電器件，功率MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

　　按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件為例進行討論。

　　功率MOSFET為多元集成結構，如國際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元；西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元；摩托羅拉公司 （Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列。

　　2.2功率MOSFET的工作原理

　　截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。

　　導電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面

　　當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。

　　2.3功率MOSFET的基本特性

　　2.3.1靜態(tài)特性；其轉移特性和輸出特性如圖2所示。

　　漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性，ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs

　　MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）。電力 MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

　　2.3.2動態(tài)特性；其測試電路和開關過程波形如圖3所示。

　　開通過程；開通延遲時間td（on） —up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段；

　　上升時間tr— uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段；

　　iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。

　　開通時間ton—開通延遲時間與上升時間之和。

　　關斷延遲時間td（off） —up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小為零的時間段。

　　下降時間tf— uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS

　　關斷時間toff—關斷延遲時間和下降時間之和。

　　2.3.3 MOSFET的開關速度。

　　MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系，使用者無法降低Cin， 但可降低驅動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度，MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速，開關時間在10— 100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。

　　場控器件靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。

　　2.4動態(tài)性能的改進

　　在器件應用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應用中如何保護器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組 合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導通區(qū)的擴展問題，所以也帶來相當嚴格的限制。

　　功率MO