本文將介紹功率MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理及基本工作電路。
什么是MOSFET
“MOSFET”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管”。它是由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導(dǎo)體三種材料制成的器件。所謂功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用于功率輸出級的器件。
MOSFET的結(jié)構(gòu)
圖1是典型平面N溝道增強(qiáng)型MOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底(圖la)，在其面上擴(kuò)散了兩個(gè)N型區(qū)(圖lb)，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiQ2)絕緣層(圖lc)，最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個(gè)孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)電極：G(柵極)、S(源極)及D(漏極)，如圖1d所示。
從圖1中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個(gè)PN結(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。
圖1是N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)圖。為了改善某些參數(shù)的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝，構(gòu)成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。圖2是一種N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的結(jié)構(gòu)圖。雖然有不同的結(jié)構(gòu)，但其工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。
MOSFET的工作原理
要使增強(qiáng)型N溝道MOSFET工作，要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。如圖3所示（上面↑）。
若先不接VGS(即VGS＝0)，在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結(jié)處于反向，因此漏源之間不能導(dǎo)電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時(shí)可以將柵極與襯底看作電容器的兩個(gè)極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質(zhì)。當(dāng)加上VGS時(shí)，在絕緣層和柵極界面上感應(yīng)出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應(yīng)出負(fù)電荷(如圖3)。這層感應(yīng)的負(fù)電荷和P型襯底中的多數(shù)載流子(空穴)的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連接起來形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)VGS電壓太低時(shí)，感應(yīng)出來的負(fù)電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時(shí)，漏源之間仍然無電流ID。當(dāng)VGS增加到一定值時(shí)，其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個(gè)分離的N區(qū)溝通形成N溝道，這個(gè)臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓)，用符號VT表示(一般規(guī)定在ID＝10uA時(shí)的VGS作為VT)。當(dāng)VGS繼續(xù)增大，負(fù)電荷增加，導(dǎo)電溝道擴(kuò)大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線性關(guān)系，如圖4所示。此曲線稱為轉(zhuǎn)換特性。因此在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為，改變VGS來控制漏源之間的電阻，達(dá)到控制ID的作用。
由于這種結(jié)構(gòu)在VGS＝0時(shí)，ID＝0，稱這種MOSFET為增強(qiáng)型。另一類MOSFET，在VGS＝0時(shí)也有一定的ID(稱為IDSS)，這種MOSFET稱為耗盡型。它的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的轉(zhuǎn)移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓(ID＝0)。
耗盡型與增強(qiáng)型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個(gè)N型區(qū)中間的P型硅內(nèi)形成一N型硅薄層而形成一導(dǎo)電溝道，所以在VGS＝0時(shí)，有VDS作用時(shí)也有一定的ID(IDSS)；當(dāng)VGS有電壓時(shí)(可以是正電壓或負(fù)電壓)，改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變ID的大小。VP為ID＝0時(shí)的-VGS，稱為夾斷電壓。
除了上述采用P型硅作襯底形成N型導(dǎo)電溝道的N溝道MOSFET外，也可用N型硅作襯底形成P型導(dǎo)電溝道的P溝道MOSFET。這樣，MOSFET的分類如圖7所示。
耗盡型：N溝道(圖7a)；P溝道(圖c)；
增強(qiáng)型：N溝道（圖b)；P溝道(圖d)。
為防止MOSFET接電感負(fù)載時(shí)，在截止瞬間產(chǎn)生感應(yīng)電壓與電源電壓之和擊穿MOSFET，一般功率MOSFET在漏極與源極之間內(nèi)接一個(gè)快速恢復(fù)二極管，如圖8所示。
功率MOSFET的特點(diǎn)
功率MOSFET與雙極型功率相比具有如下特點(diǎn)：
1．MOSFET是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅(qū)動大電流時(shí)無需推動級，電路較簡單；
2．輸入阻抗高，可達(dá)108Ω以上；
3．工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高(開關(guān)時(shí)間為幾十納秒到幾百納秒)，開關(guān)損耗小；
4．有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且MOSFET的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響；
5．功率MOSFET可以多個(gè)并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。
典型應(yīng)用電路
1．電池反接保護(hù)電路
電池反接保護(hù)電路如圖9所示。一般防止電池接反損壞電路采用串接二極管的方法，在電池接反時(shí)，PN結(jié)反接無電壓降，但在正常工作時(shí)有0.6～0.7V的管壓降。采用導(dǎo)通電阻低的增強(qiáng)型N溝道MOSFET具有極小的管壓降(RDS(ON)×ID)，如Si9410DY的RDS(ON）約為0.04Ω，則在lA時(shí)約為0.04V。這時(shí)要注意在電池正確安裝時(shí)，ID并非完全通過管內(nèi)的二極管，而是在VGS≥5V時(shí)，N導(dǎo)電溝道暢通(它相當(dāng)于一個(gè)極小的電阻)而大部分電流是從S流向D的(ID為負(fù))。而當(dāng)電池裝反時(shí)，MOSFET不通，電路得以保護(hù)。
2．觸摸調(diào)光電路
一種簡單的觸摸調(diào)光電路如圖10。當(dāng)手指觸摸上觸頭時(shí)，電容經(jīng)手指電阻及100k充電，VGS漸增大，燈漸亮；當(dāng)觸摸下觸頭時(shí)，電容經(jīng)
100k及手指電阻放電，燈漸暗到滅。
3．甲類功率放大電路
由R1、R2建立VGS靜態(tài)工作點(diǎn)(此時(shí)有一定的ID流過)。當(dāng)音頻信號經(jīng)過C1耦合到柵極，使產(chǎn)生-△VGS，則產(chǎn)生較大的△ID，經(jīng)輸出變壓器阻抗匹配，使4～8Ω喇叭輸出較大的聲功率。圖ll中Dw為9V穩(wěn)壓二極管，是保護(hù)G、S極以免輸入過高電壓而擊穿。從圖中也可以看出，偏置電阻的數(shù)值較大，因?yàn)闁艠O輸入阻抗極高，并且無柵流。
4.工藝
為了進(jìn)步垂直溝道消費(fèi)工藝的穩(wěn)定性，雙擴(kuò)散工藝應(yīng)運(yùn)而生(Double-diffu-sion Structure)，這是功率MOSFET半導(dǎo)體開展上最勝利的商業(yè)設(shè)計(jì)之一，這種工藝一經(jīng)呈現(xiàn)，逐步成為功率MOSFET主流生產(chǎn)工藝，這就是DMOS(Double-diffusedMetal Oxide Semiconductor，雙擴(kuò)散MOS)，DMOS在需求高電壓、大電流的CMOS工藝中也常常被采用。
所謂雙擴(kuò)散，就是以外延層(Epitaxial Layer)為根底，采用外延擴(kuò)散工藝陸續(xù)生長出“P-”慕區(qū)和“N+”源區(qū)，等于是采用了兩次擴(kuò)散外延工藝，雙擴(kuò)散由此得名
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