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功率MOSFET(Power MOSFET)的基本知识

52RD.com 2005年8月4日 《电子制作》            评论:17条 查看 我来说两句
  自1976年开发出功率MOSFET (Power 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V
GS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V
GS(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V
GS=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V
GS=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10
8Ω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(R
DS(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,V
GS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I
D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。

(52RD.com)
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      评 论
      17楼 52RD网友 61.229.*.* 发表于 2010-1-27 16:15 回复
      看不到圖
      16楼 pyjoy 发表于 2009-7-12 09:37 回复
      xuexile
      15楼 52RD网友 60.176.*.* 发表于 2009-4-6 10:04 回复
      xiexie
      14楼 SUMMER1985 发表于 2008-12-26 10:03 回复
      没有图,不过讲的还是比较详细的
      13楼 52RD网友 61.185.*.* 发表于 2007-6-24 17:51 回复
      没有图片啊 !!!
      12楼 My1792(游客) 218.17.*.* 发表于 2007-5-31 22:22 回复
      thanks 天堂鸟
      11楼 52RD网友 58.40.*.* 发表于 2007-3-13 19:03 回复
      没法看到图片,但还是很感谢这样的资料
      10楼 我爱研发(游客) 61.130.*.* 发表于 2007-2-26 09:32 回复
      没办法看图片 :(
      9楼 52RD网友 124.165.*.* 发表于 2007-1-27 17:32 回复
      我没有办法看到原理图片
      8楼 52RD网友 211.90.*.* 发表于 2007-1-5 22:21 回复
      谢谢这样的资料
      7楼 52RD网友 58.49.*.* 发表于 2006-12-12 11:17 回复
      看不到原理图片
      6楼 52RD网友 218.1.*.* 发表于 2006-8-2 16:56 回复
      没办法看到图片啊
      5楼 我就是我(游客) 218.22.*.* 发表于 2006-6-3 15:43 回复
      搞点示例好不好
      4楼 天堂鸟(游客) 202.101.*.* 发表于 2006-4-29 17:08 回复
      http://www.shaluo.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=107&id=26583&page=1
      3楼 RobitFeng(游客) 58.246.*.* 发表于 2006-1-16 16:49 回复
      我没有办法看到原理图片
      2楼 52RD网友 218.106.*.* 发表于 2005-10-6 22:40 回复
      good  
      1楼 52RD网友 61.177.*.* 发表于 2005-9-3 22:29 回复
      我就需要这样的资料!谢谢!
      共有评论17篇 查看所有评论
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