MOSFET結構及其工作原理詳解

　　1.概述

　　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。

　　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；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。