MOSFET結(jié)構(gòu)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(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。

功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)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(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

2.功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

功率MOSFET的種類：按導(dǎo)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(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型；對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

2.1.功率MOSFET的結(jié)構(gòu)

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖1所示；其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)圖

按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，如國際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元；西門子公司（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(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導(dǎo)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(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面

當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)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(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。

2.3.功率MOSFET的基本特性

2.3.1靜態(tài)特性MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs

MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）。電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)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(dǎo)通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

2.3.2動(dòng)態(tài)特性MOSFET其測試電路和開關(guān)過程。

開通過程；開通延遲時(shí)間td(on) —Up前沿時(shí)刻到UGS=UT并開始出現(xiàn)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(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段；iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。開通時(shí)間ton—開通延遲時(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RS和RG放電，UGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開始減小為零的時(shí)間段。下降時(shí)間tf— UGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到UGS

2.3.3MOSFET的開關(guān)速度MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系，使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度，MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在10～100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。

場控器件靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

4.動(dòng)態(tài)性能的改進(jìn) 　

在器件應(yīng)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(yīng)用中如何保護(hù)器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當(dāng)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(gè)導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問題，所以也帶來相當(dāng)嚴(yán)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)雪崩能力來表達(dá)。當(dāng)反向di/dt很大時(shí)，二極管會承受一個(gè)速度非?？斓拿}沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區(qū)，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(jié)二極管來說，仔細(xì)研究其動(dòng)態(tài)特性是相當(dāng)復(fù)雜的。它們和我們一般理解PN 結(jié)正向時(shí)導(dǎo)通反向時(shí)阻斷的簡單概念很不相同。當(dāng)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(fù)時(shí)間。PN結(jié)要求迅速導(dǎo)通時(shí)，也會有一段時(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(shù)載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復(fù)雜性。

功率MOSFET的設(shè)計(jì)過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?yàn)橹挥性诼ON區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個(gè)N區(qū)建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動(dòng)態(tài)條件下，因du/dt 通過相應(yīng)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起動(dòng)，有可能給MOSFET帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對功率MOSFET器件內(nèi)部的各個(gè)電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關(guān)的，這方面在應(yīng)用中應(yīng)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(yīng)的問題。

4.功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路　

功率MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動(dòng)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(guān)系可表述為： 功率MOSFET的柵極輸入端相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，它的工作速度與驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗有關(guān)。由于 CISS的存在，靜態(tài)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零，但在開通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。假定開關(guān)管飽和導(dǎo)通需要的柵極電壓值為VGS，開關(guān)管的開通時(shí)間TON包括開通延遲時(shí)間TD和上升時(shí)間TR兩部分。

開關(guān)管關(guān)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迅速減小至接近于零時(shí)，VDS（T）再迅速上升。

根據(jù)以上對功率MOSFET特性的分析，其驅(qū)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