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場效應電晶體），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）的場效應電晶體。

功率場效應電晶體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）。結型功率場效應電晶體一般稱作靜電感應電晶體（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，熱穩定性優於GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用於功率不超過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；對於N（P）溝道器件，柵極電壓大於（小於）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，是單極型電晶體。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管是橫嚮導電器件，功率MOSFET大都採用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

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採用了六邊形單元；西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET採用了正方形單元；摩託羅拉公司（Motorola）的TMOS採用了矩形單元按「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區中的空穴推開，而將P區中的少子—電子吸引到柵極下面的P區表面

當UGS大於UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區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的關係稱為MOSFET的轉移特性，ID較大時，ID與UGS的關係近似線性，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（對應於GTR的截止區）；飽和區（對應於GTR的放大區）；非飽和區（對應於GTR的飽和區）。電力MOSFET工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來迴轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極體，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態電阻具有正溫度係數，對器件並聯時的均流有利。

2.3.2動態特性MOSFET其測試電路和開關過程。

開通過程；開通延遲時間td(on) —Up前沿時刻到UGS=UT並開始出現iD的時刻間的時間段；上升時間tr— UGS從UT上升到MOSFET進入非飽和區的柵壓UGSP的時間段；iD穩態值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩態值有關，UGS達到UGSP後，在up作用下繼續升高直至達到穩態，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繼續下降起，iD減小，到UGS

2.3.3MOSFET的開關速度MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關係，使用者無法降低Cin，但可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，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。

4.動態性能的改進 　

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，不使器件在瞬態變化中受損害。當然晶閘管是兩個雙極型電晶體的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其du/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導通區的擴展問題，所以也帶來相當嚴格的限制。

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）的能力來估量。但儘管如此，它也存在動態性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結構來予以理解。

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還並聯著一個二極體。同時從某個角度看、它還存在一個寄生電晶體。（就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣）。這幾個方面，是研究MOSFET動態特性很重要的因素。

首先MOSFET 結構中所附帶的本徵二極體具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重複雪崩能力來表達。當反向di/dt很大時，二極體會承受一個速度非常快的脈衝尖刺，它有可能進入雪崩區，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結二極體來說，仔細研究其動態特性是相當複雜的。它們和我們一般理解PN 結正向時導通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當電流迅速下降時，二極體有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時間。PN結要求迅速導通時，也會有一段時間並不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極體有正向注入，所注入的少數載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的複雜性。

功率MOSFET的設計過程中採取措施使其中的寄生電晶體儘量不起作用。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 儘量小。因為只有在漏極N區下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區建立正偏的條件時，寄生的雙極性晶閘管才開始發難。然而在嚴峻的動態條件下，因du/dt 通過相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性電晶體就會起動，有可能給MOSFET帶來損壞。所以考慮瞬態性能時對功率MOSFET器件內部的各個電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

瞬態情況是和線路情況密切相關的，這方面在應用中應給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利於理解和分析相應的問題。

4.功率MOSFET驅動電路　

功率MOSFET是電壓型驅動器件，沒有少數載流子的存貯效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高，驅動功率小，電路簡單。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與極間電容的關係可表述為： 功率MOSFET的柵極輸入端相當於一個容性網絡，它的工作速度與驅動源內阻抗有關。由於 CISS的存在，靜態時柵極驅動電流幾乎為零，但在開通和關斷動態過程中，仍需要一定的驅動電流。假定開關管飽和導通需要的柵極電壓值為VGS，開關管的開通時間TON包括開通延遲時間TD和上升時間TR兩部分。

開關管關斷過程中，CISS通過ROFF放電，COSS由RL充電，COSS較大，VDS（T）上升較慢，隨著VDS(T)上升較慢，隨著VDS（T）的升高COSS迅速減小至接近於零時，VDS（T）再迅速上升。

根據以上對功率MOSFET特性的分析，其驅動通常要求：觸發脈衝要具有足夠快的上升和下降速度；②開通時以低電阻力柵極電容充電，關斷時為柵極提供低電