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          功率MOSFET的結(jié)構(gòu),工作原理及應(yīng)用

          作者: 時間:2017-06-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          本文將介紹(場效應(yīng)管)的結(jié)構(gòu)、工作原理及基本工作電路。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/349860.htm

          什么是(場效應(yīng)管)

          (場效應(yīng)管)”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(場效應(yīng)管)(Power MOSFET(場效應(yīng)管))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(場效應(yīng)管)的結(jié)構(gòu)

          圖1是典型平面N溝道增強型MOSFET(場效應(yīng)管) 的剖面圖。它用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底(圖la),在其面上擴散了兩個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孔,用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內(nèi)做成三個電極: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溝道增強型MOSFET(場效應(yīng)管)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溝道增強型(場效應(yīng)管)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(場效應(yīng)管)的工作原理
          要使增強型N溝道MOSFET(場效應(yīng)管)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。此時可以將柵極與襯底看作電容器的兩個極板,而氧化物絕緣層作為電容器的介質(zhì)。當(dāng)加上VGS時,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,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,漏源之間仍然無電流ID。當(dāng)VGS增加到一定值時,其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個分離的N區(qū)溝通形成N溝道,這個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,ID=0,稱這種MOSFET(場效應(yīng)管)為增強型。另一類MOSFET(場效應(yīng)管),在VGS=0時也有一定的ID(稱為IDSS),這種MOSFET(場效應(yīng)管)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,有VDS作用時也有一定的ID(IDSS);當(dāng)VGS有電壓時(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(場效應(yīng)管)外,也可用N型硅作襯底形成P型導(dǎo)電溝道的P溝道MOSFET(場效應(yīng)管)。這樣,MOSFET(場效應(yīng)管)的分類如圖7所示。



            耗盡型:N溝道(圖7a);P溝道(圖c);
            增強型:N溝道(圖b);P溝道(圖d)。


          為防止MOSFET(場效應(yīng)管)接電感負(fù)載時,在截止瞬間產(chǎn)生感應(yīng)電壓與電源電壓之和擊穿MOSFET(場效應(yīng)管),一般功率MOSFET(場效應(yīng)管)在漏極與源極之間內(nèi)接一個快速恢復(fù)二極管,如圖8所示。

          功率MOSFET(場效應(yīng)管)的特點
          功率MOSFET(場效應(yīng)管)與雙極型功率相比具有如下特點:

          1. MOSFET(場效應(yīng)管)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(場效應(yīng)管)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(場效應(yīng)管)可以多個并聯(lián)使用,增加輸出電流而無需均流電阻。

          功率MOSFET(場效應(yīng)管)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,PN結(jié)反接無電壓降,但在正常工 作時有0.6~0.7V的管壓降。采用導(dǎo)通電阻低的增強型N溝道MOSFET(場效應(yīng)管)具有極小的管壓降(RDS(ON)×ID),如Si9410DY的RDS(ON)約為0.04Ω,則在lA時約為0.04V。這時要注意在電池正確安裝時,ID并非完全通過管內(nèi)的二極管,而是在VGS≥5V時,N導(dǎo)電溝道暢通(它相當(dāng)于一個極小的電阻)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,MOSFET(場效應(yīng)管)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,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,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(此時有一定的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,因為柵極輸入阻抗極高,并且無柵流。

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