1、精選優質文檔-傾情為你奉上MOSFET的基本原理特點及應用分類:   |  標簽:  摘要：本文主要介紹 mosfet 的基本原理，以及按照其運行原理來分類，最后介紹了其基本運用。 mosfet 自 1976 年開發出功率MOSFET 以來，由于半導體工藝技術的發展，它的性能不斷提高：如高壓功率 MOSFET 其工作電壓可達 1200V ；一般也能做到低導通電阻 MOSFET 其阻值僅 lOm ；工作頻率范圍從直流到達數兆赫；保護措施越來越完善；并開發出各種貼片式功率 MOSFET( 如Siliconix 最近開發的厚度為 1.5mm “Little F

2、oot 系列 ) 。另外，價格也不斷降低，使應用越來越廣泛，不少地方取代雙極型晶體管。     功率 MOSFET 主要用于計算機外設 ( 軟、硬驅動器、打印機、繪圖機 ) 、電源 (AC DC 變換器、 DC DC 變換器 ) 、汽車 、音響電路及儀器、儀表等領域。什么是 MOSFET    “MOSFET” 是英文 MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor 的縮寫，譯成中文是 “ 金屬氧化物半導體場效應管 ” 。它是由金屬、氧化物 (SiO2 或 SiN) 及半導體三種材料制成

3、的器件。所謂功率 MOSFET(Power MOSFET) 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 的結構     圖 1 是典型平面 N 溝道增強型 MOSFET 的剖面圖。它用一塊 P 型硅半導體材料作襯底 ( 圖 la) ，在其面上擴散了兩個 N 型區 ( 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做成三個電極： G( 柵極 ) 、 S( 源極 ) 及 D( 漏極 ) ，如圖 1d 所

4、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。一般情況下，襯底與源極在內部連接在一起。    圖 1 是 N 溝道增強型 MOSFET 的基本結構圖。為了改善某些參數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等有不同的結構及工藝，構成所謂 VMOS 、 DMOS 、 TMOS 等結構。圖 2 是一種 N 溝道增強型功率 MOSFET 的結構圖。雖然有不同的結構，但其工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。 MOSFET 的工作原理要使增強型 N 溝

5、道 MOSFET 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 ）。 了解了N型MOSFET的工作原理，P型MOSFET的工作原理與N型的相同。只不過是材料類型不同，工作的電壓極性全部相反。MOSFET有增強型與耗盡型。前者居多。即：其漏級（D）電流Id隨柵極（G）電壓Vgs增加而增加。而后者的Id與Vgs是反比關系。 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 結處于反向，因此漏

6、源之間不能導電。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。當加上 VGS 時，在絕緣層和柵極界面上感應出正電荷，而在絕緣層和 P 型襯底界面上感應出負電荷 ( 如圖 3) 。這層感應的負電荷和 P 型襯底中的多數載流子 ( 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 型區連接起來形成導電溝道。當 VGS 電壓太低時，感應出來的負電荷較少，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 VGS 增加到一定值時，其感應的負電荷把兩個分離的 N

7、區溝通形成 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 ( 一般規定在 ID 10uA 時的 VGS 作為 VT) 。當 VGS 繼續增大，負電荷增加，導電溝道擴大，電阻降低， ID 也隨之增加，并且呈較好線性關系，如圖 4 所示。此曲線稱為轉換特性。因此在一定范圍內可以認為，改變 VGS 來控制漏源之間的電阻，達到控制 ID 的作用。 由于這種結構在 VGS 0 時， ID 0 ，稱這種 MOSFET 為增強型。另一類 MOSFET ，在 VGS 0 時也有一定的 ID( 稱為 IDSS) ，這種 MOSFET 稱為耗盡型。它的結構如圖 5 所示

8、，它的轉移特性如圖 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出較多的負電荷，即在兩個 N 型區中間的 P 型硅內形成一 N 型硅薄層而形成一導電溝道，所以在VGS 0 時，有 VDS 作用時也有一定的 ID(IDSS) ；當 VGS 有電壓時 ( 可以是正電壓或負電壓 ) ，改變感應的負電荷數量，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 型導電溝道的 N 溝道MOSFET 外，也可用 N 型硅作襯底形成 P 型導電溝道的

9、P 溝道MOSFET 。這樣， MOSFET 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 接電感負載時，在截止瞬間產生感應電壓與電源電壓之和擊穿 MOSFET ，一般功率 MOSFET 在漏極與源極之間內接一個快速恢復二極管，如圖 8 所示。功率 MOSFET 的特點功率 MOSFET 與雙極型功率相比具有如下特點： 1 MOSFET 是電壓控制型器件 ( 雙極型是電流控制型器件 ) ，因此在驅動大電流時無需推動級，電路較簡單； 2 輸入阻抗高，可達 108 以

10、上； 3 工作頻率范圍寬，開關速度高 ( 開關時間為幾十納秒到幾百納秒 ) ，開關損耗小； 4 有較優良的線性區，并且 MOSFET 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 可以多個并聯使用，增加輸出電流而無需均流電阻。典型應用電路 1 電池反接保護電路 電池反接保護電路如圖 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。采用導通電阻低的增強型 N 溝道 MOSFET 具有極小的管壓降 (RDS(ON)×

11、;ID) ，如 Si9410DY 的 RDS(ON ）約為 0.04 ，則在 lA 時約為 0.04V 。這時要注意在電池正確安裝時， ID 并非完全通過管內的二極管，而是在 VGS5V 時， N 導電溝道暢通 ( 它相當于一個極小的電阻 ) 而大部分電流是從 S 流向 D 的 (ID 為負 ) 。而當電池裝反時， MOSFET 不通，電路得以保護。2 觸摸調光電路 一種簡單的觸摸調光電路如圖 10 。當手指觸摸上觸頭時，電容經手指電阻及 100k 充電， VGS 漸增大，燈漸亮；當觸摸下觸頭時，電容經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 靜態工作點