1、淺談功率MOSFET及其應用“MOSFET”是英文metal-oxide-semiconductor field effect transistor的縮寫,意即“金屬氧化物半導體場效應晶體管”。小信號MOSFET主要用于模擬電路的信號放大和阻抗變換,但也可應用于開關或斬波。功率MOSFET除少數應用于音頻功率放大器,工作于線性范圍,大多數用作開關和驅動器,工作于開關狀態,耐壓從幾十伏到上千伏,工作電流可達幾安培到幾十安培。功率MOSFET都是增強型MOSFET,它具有優良的開關特性。近年來,功率MOSFET廣泛地應用于電源、計算機及外設(軟、硬盤驅動器、打印機、掃描器等、消費類電子產品、通信裝

2、置、汽車電子及工業控制等領域。本文介紹其分類、工作原理、主要特點、主要參數及特性、基本工作電路及應用電路舉例。功率MOSFET的分類功率MOSFET可分成兩類:P溝道及N溝道,其電路符號如圖1所示。請記住:中間箭頭向里的是N溝道而箭頭向外的是P溝道。它有三個極:漏極(D。源極(S及柵極(G。有一些功率MOS-FET內部在漏源極之間并接了一個二極管或肖特基二極管,這是在接電感負載時,防止反電勢損壞MOSFET。如圖2所示。這兩類MOSFET的工作原理相同,僅電源電壓控制電壓的極性相反。 工作原理N溝道增強型功率MOSFETF的內部基本結構如圖3所示。其中源極(S和漏極(D與P 型襯底材料之間用擴

3、散雜質而形成一個N區,這樣各形成一個PN結。柵極(G是做在SiO2絕緣層上,與P型硅襯底、源極及漏極都是絕緣的。當漏極及源極之間加了一個V DS電壓(而柵極及源極之間未加電壓,則漏極與源極通道是由兩個背靠背的PN結和P型硅本體電阻串聯組成,如圖4所示。由于其PN結反向電流極小,在常溫25下,其最大值為1A(這電流稱為I DSS,相當于漏極源極關斷。當柵極與P型硅襯底之間加V GS電壓,則可把柵極及P型硅襯底看作電容器的極板,而SiO2是絕緣介質,它們之間形成一個電容器。當加上V GS后在SiO2和柵極的界面上感應出正電荷,而SiO2與P型硅襯底界面上感應出負電荷,如圖5所示。在P型硅襯底上感應

4、的負電荷與P型硅襯底中的多數載流子(空穴的極性相反,所以這稱為“反型層”,這使半導體漏極源極之間的類型由P型轉變成N型而形成允許漏極源極的N區連接而形成導電溝道。如果這時在漏源極之間加上了V DS電壓,它由漏極經N區、導電溝道及源極的N區形成通路電阻較小,可產生較小的電流I D。 但是如果V GS電壓較低的話,感應出來的少量負電荷被P型襯底中的空穴所俘獲,因而形不成導電溝道,仍然沒有電流。當V GS增加到某一臨界值后,在電場的作用下產生足夠的負電荷把兩個分離的N區溝通,這個電壓稱為開啟電壓或稱柵極閾值電壓(用符號V GS(Th表示,常用I D= 10A(有的用I D=250A時的V GS作為V

5、 GS(Th,如圖6所示。當V GSV GS(Th,而且V DS V GS-V GS(Th,I D與(V GS-V GS(Th2正比。所以不大的V GS就可以控制很大的I D,足以使它飽和導通。V GSV GS(Th后才有電流;V GS越大,在P型襯底感應的負電荷越多,形成的導電溝道越深,漏源之間的電流也越大。這就是增強型N溝道MOSFET的工作原理。P溝道增強型MOSFET的工作原理與N溝道的相同,不再贅述。V GS=0,I D=0的MOSFET稱為增強型。主要特點MOSFET是由電壓控制型器件,輸入柵極電壓V G控制著漏極電流I D,即一定條件下,漏極電流I D取決于柵極電壓V G。增強型

6、功率MOSFET具有下述主要特點:輸人阻抗極高,最高可達1015;噪聲低;沒有少數載流子存儲效應,因而作為開關時不會因存儲效應而引起開關時間的延遲,開關速度高;沒有偏置殘余電壓,在作斬波器時可提高斬波電路的性能;可用作雙向開關電路;在V GS=0時,V DS=0,在導通時其導通電阻很小(目前可做到幾個毫歐.損耗小,是較理想的開關;由于損耗小,可在小尺寸封裝時輸出較大的開關電流,而無需加散熱片。主要參數及特性主要參數有極限參數及電特性。極限參數有:最大漏源電壓V DS、最大柵源電壓V GS、最大漏極電流I D,最大功耗P D。在使用中不能超過極限值,否則會損壞器件。主要電特性有:開啟電壓V GS

7、(Th;柵極電壓為零時的I DSS電流;在一定的V GS條件下的導通電阻R DS(ON。例如,型號為Si9400DY的P溝道增強型MOSFET的極限參數:V DS為-20V;V GS為20V;連續漏極電流為2.5A;P D為2.5W;工作結溫為-55+150。其電特性有:V GS(Th最小值為-1V(I D=250A;I DSS最大值為-2A;在V GS=-10V時,R DS(ON=0.2,在V GS=-4.5V 時,R DS(ON=0.4。以上的參數都是在T A=25時的值,在T A大于25時,I D、P D的極限值將有所下降。例如Si9400DY在70時,I D降為2A,P D降為1.6W

8、。這一點在實際使用時是要注意的。Si9400DY的V GS與I D的特性如圖7所示(特性與圖6是基本相同的,這特性稱為轉移特件。與圖6不同的是圖7的橫坐標V GS是負的。在不同的V GS時它的導通電阻與漏電流的特性如圖8所示。由圖8中可看出,當V GS=-10V時,其導通電阻幾乎是一個常值。 基本工作電路P溝道功率MOSFET的基本工作電路如圖9所示,N溝道功率MOSFET的基本工作電路如圖10所示。在圖9中,要使其導通需滿足兩個條件:-V GSV D,即V DS為負電壓(即-V DS。當V GS=0時,I D=0;當-V GS-V GS(Th(若采用Si9400DY時,V GS(Th=-1V

9、,開始導通,并且隨著-V GS的值增加,-I D增加。當-V GS增加到一定值時,使MOS-FET飽和。這里采用Si9400DY型號的P溝道功率MOSFET為例作進一步的說明,在圖9中,若V GS= -4V,按圖7可知-I D約為2A。但-I D的實際值還要看V CC的電壓大小及負載電阻的大小,另外還要看實際的-I D時導通電阻R DS(ON的值。例如,若V CC=12V,R L=10,在V GS=-4V,若不考慮MOSFET的R DS(ON管壓降(由導通電阻R DS(ON所引起的,則-I D=V CC/R L=12V/l0=1.2A。在圖8中可知,在V GS=-4V,-I D=1.2A左右時

10、,其導通電阻R DS(ON約035,則-I D=12/(R L+R DS(ON=12V/(10+0.35=1.16A。在MOSFET上的管壓降=-I DR DS(ON=l.16A0.35=0.4V。因此,在確定所用的P溝道MOSFET后,可從資料上找到它的轉移特性及-V GS、-I D與R DS(ON的性,根據電路的參數計算出I D來。在上面的例子中,當V GS=-4V時,MOSFET已飽和,若要增加-I D,必須增加V CC才行。N溝道的工作電路與P溝道的情況不同:電壓極性相反,負載電阻也倒換,如圖10所示。一般的功率MOSFET是可以采用TTL邏輯電平來控制(V GS=05V或V GS=-

11、5V0,這類功率MOSFET稱為TTL邏輯電平控制MOSFET,而MOSFET工作在截止與飽和導通狀態,即開關狀態。應用電路舉例一種簡單的電子開關電路如圖11所示。它由一個P溝道功率MOSFET及一個反相器組成。這里的MOSFET起一個開關作用。當反相器輸入高電平時,其輸出為低電平,則作用于P溝道MOSFET的V GS=-5V,MOSFET飽和導通,相當于開關“閉合”;當反相器輸人低電平時,其輸出為高電平,V GS=0,MOSFET截止,相當于開關“打開”。它是用邏輯電平來控制的電子開關。圖12是一種低壓差穩壓器(LDO輸出電壓低于額定電壓5%時自動關閉電路。電源由6節可充電鎳鎘電池供電(額定電壓7.2V。若電池電壓下降使LDO輸出降到4.75V時,其錯誤輸出端(ERROR輸出低電平,反相器輸出高電平,P溝道功率MOSFET截止,LDO失電無輸出。由于ERROR接一個100k接地,反相器的輸出為低電平,保持反相器輸出為高電平,保持負載斷電。等電池充電后,按一下按鈕開關S1,反相器輸出低電平,MOSFET導通,LDO得電, ERROR輸出高電平,電路恢復正常。最后再舉一個例,用圖9作基本工作電路(用Si9400DY型號的P溝道功率MOSFET的例子中,如何來實現用TTL電平來獲得V GS=OV及V GS=-4V。這里要加一個電平轉換電路,如圖13所示。它由三極管