MOSFET結構及其工作原理詳解

MOSFET的 工作原理

MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著(zhù)氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應來(lái)控制半導體（S）的場(chǎng)效應晶體管。

功率場(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)功率MOSFET（Power MOSFET）。結型功率場(chǎng)效應晶體管一般稱(chēng)作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩定性?xún)?yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)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(lèi)：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(shí)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(shí)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的內部結構和電氣符號如圖1所示；其導通時(shí)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(chēng)為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

功率MOSFET的結構圖

按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實(shí)現垂直導電的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(jìn)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(mén)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基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

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

當UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區表面的電子濃度將超過(guò)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MOSFET的轉移特性和輸出特性。

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉移特性，ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線(xiàn)性，曲線(xiàn)的斜率定義為跨導Gfs

MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區（對應于GTR的截止區）；飽和區（對應于GTR的放大區）；非飽和區（對應于GTR的飽和區）。電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區和非飽和區之間來(lái)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(shí)器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數，對器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

2.3.2動(dòng)態(tài)特性MOSFET其測試電路和開(kāi)關(guān)過(guò)程。

開(kāi)通過(guò)程；開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) —Up前沿時(shí)刻到UGS=UT并開(kāi)始出現iD的時(shí)刻間的時(shí)間段；上升時(shí)間tr— UGS從UT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區的柵壓UGSP的時(shí)間段；iD穩態(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的穩態(tài)值有關(guān)，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續升高直至達到穩態(tài)，但iD已不變。開(kāi)通時(shí)間ton—開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) —Up下降到零起，Cin通過(guò)RS和RG放電，UGS按指數曲線(xiàn)下降到UGSP時(shí)，iD開(kāi)始減小為零的時(shí)間段。下降時(shí)間tf— UGS從UGSP繼續下降起，iD減小，到UGS

2.3.3MOSFET的開(kāi)關(guān)速度MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系，使用者無(wú)法降低Cin，但可降低驅動(dòng)電路內阻Rs減小時(shí)間常數，加快開(kāi)關(guān)速度，MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速，開(kāi)關(guān)時(shí)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(chǎng)控器件靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅動(dòng)功率越大。

4.動(dòng)態(tài)性能的改進(jìn) 　

在器件應用時(shí)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(gè)雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來(lái)的大電容，所以其du/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來(lái)說(shuō)，它還存在一個(gè)導通區的擴展問(wèn)題，所以也帶來(lái)相當嚴格的限制。

功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來(lái)估量。但盡管如此，它也存在動(dòng)態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結構來(lái)予以理解。

功率MOSFET的等效電路圖

上圖是功率MOSFET的等效電路，在應用中除了要考慮功率MOSFET每一部分都存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著(zhù)一個(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著(zhù)一個(gè)晶閘管一樣）。這幾個(gè)方面，是研究MOSFET動(dòng)態(tài)特性很重要的因素。

首先MOSFET 結構中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復雪崩能力來(lái)表達。當反向di/dt很大時(shí)，二極管會(huì )承受一個(gè)速度非?？斓拿}沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結二極管來(lái)說(shuō)，仔細研究其動(dòng)態(tài)特性是相當復雜的。它們和我們一般理解PN 結正向時(shí)導通反向時(shí)阻斷的簡(jiǎn)單概念很不相同。當電流迅速下降時(shí)，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時(shí)間。PN結要求迅速導通時(shí)，也會(huì )有一段時(shí)間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數載流子也會(huì )增加作為多子器件的MOSFET的復雜性。

功率MOSFET的設計過(guò)程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB 盡量小。因為只有在漏極N區下的橫向電阻流過(guò)足夠電流為這個(gè)N區建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管才開(kāi)始發(fā)難。然而在嚴峻的動(dòng)態(tài)條件下，因du/dt 通過(guò)相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時(shí)這個(gè)寄生的雙極性晶體管就會(huì )起動(dòng)，有可能給MOSFET帶來(lái)?yè)p壞。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對功率MOSFET器件內部的各個(gè)電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線(xiàn)路情況密切相關(guān)的，這方面在應用中應給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應的問(wèn)題。

4.功率MOSFET驅動(dòng)電路　

功率MOSFET是電壓型驅動(dòng)器件，沒(méi)有少數載流子的存貯效應，輸入阻抗高，因而開(kāi)關(guān)速度可以很高，驅動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單。但功率MOSFET的極間電容較大，輸入電容CISS、輸出電容COSS和反饋電容CRSS與極間電容的關(guān)系可表述為： 功率MOSFET的柵極輸入端相當于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò )，它的工作速度與驅動(dòng)源內阻抗有關(guān)。由于 CISS的存在，靜態(tài)時(shí)柵極驅動(dòng)電流幾乎為零，但在開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過(guò)程中，仍需要一定的驅動(dòng)電流。假定開(kāi)關(guān)管飽和導通需要的柵極電壓值為VGS，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間TON包括開(kāi)通延遲時(shí)間TD和上升時(shí)間TR兩部分。

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中，CISS通過(guò)ROFF放電，COSS由RL充電，COSS較大，VDS（T）上升較慢，隨著(zhù)VDS(T)上升較慢，隨著(zhù)VDS（T）的升高COSS迅速減小至接近于零時(shí)，VDS（T）再迅速上升。

根據以上對功率MOSFET特性的分析，其驅動(dòng)通常要求：觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度；②開(kāi)通時(shí)以低電阻力柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電