功率场效应晶体管结构与工作原理

一、结构与工作原理

1．结构

MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道；根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型。功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。从结构上看，功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差别。小功率MOS管的导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。而P-MOSFET常采用垂直导电结构，称VMOSFET（Vertical MOSFET），这种结构可提高MOSFET器件的耐电压、耐电流的能力。图1给出了具有垂直导电双扩散MOS结构的VD-MOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）单元的结构图及电路符号。一个MOSFET器件实际上是由许多小单元并联组成。

a） 结构图 b） 符号（N沟道） c） 符号（P沟道）

图1 MOSFET的结构图及电路符号

2．工作原理

如图1所示，MOSFET的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN结反偏，漏源极之间无电流通过。如在栅源极间加一正电压U_GS，则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开，而将电子吸引到栅极下的P基区的表面，当U_GS大于开启电压U_T时，栅极下P基区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，成为反型层，由反型层构成的N沟道使PN结消失，漏极和源极间开始导电。U_GS数值越大，P-MOSFET导电能力越强，I_D也就越大。

二、工作特性

1．静态特性

（1）漏极伏安特性

漏极伏安特性也称输出特性，如图2所示，可以分为三个区：可调电阻区Ⅰ，饱和区Ⅱ，击穿区Ⅲ。在Ⅰ区内，固定栅极电压U_GS，漏源电压U_DS从零上升过程中，漏极电流i_D首先线性增长，接近饱和区时，i_D变化减缓，而后开始进入饱和。达到饱和区Ⅱ后，此后虽U_DS增大，但i_D维持恒定。从这个区域中的曲线可以看出，在同样的漏源电压U_DS下，U_GS越高，因而漏极电流i_D也大。当U_DS过大时，元件会出现击穿现象，进入击穿区Ⅲ。

（2）、转移特性

漏极电流I_D与栅源极电压U_GS反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图3所示。当I_D较大时，该特性基本上为线性。曲线的斜率g_ｍ＝△I_D/△U_GS称为跨导，表示P-MOSFET栅源电压对漏极电流的控制能力，与GTR的电流增益β含义相似。图中所示的U_GS（th）为开启电压，只有U_GS>U_GS（th）­时才会出现导电沟道，产生栅极电流I_D。

图2 漏极伏安特性 图3 转移特性

2．开关特性

P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短，典型值为20ns，而影响开关速度的主要是器件极间电容。图4为元件极间电容的等效电路，从中可以求得器件输入电容为C_in＝C_GS＋C_GD。正是C_in在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。

P-MOSFET的开关过程如图5所示，其中U_P为驱动电源信号，U_GS为栅极电压，i_D为漏极电流。当U_P信号到来时，输入电容C_in有一充电过程，使栅极电压U_GS只能按指数规律上升。P-MOSFET的开通时间为t_on＝t_d(on)＋t_r。当U_P信号下降为零后，栅极输入电容Ｃ_in上贮存的电荷将通过信号源进行放电，使栅极电压U_GS按指数下降，到U_P结束后的t_d(off)时刻，i_D电流才开始减小，故t_d(off)称为关断延迟时间。P-MOSFET的关断时间应为t_off＝t_d(off)＋t_f。

图4 输入电容等效电路 图5 开关特性

三、主要参数与安全工作区

1．主要参数

（1）漏极电压U_DS

漏极电压U_DS为P-MOSFET的电压定额。

（2） 电流定额I_D

电流定额I_D为漏极直流电流，I_DM为漏极脉冲电流幅值。

（3） 栅源电压U_GS

栅源间加的电压不能大于此电压，否则将击穿元件。

2．安全工作区

P-MOSFET是多数载流子工作的器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的安全工作区。P-MOSFET的正向偏置安全工作区由四条边界包围框成，如图6所示。其中Ⅰ为漏源通态电阻限制线；Ⅱ为最大漏极电流I_DM限制线；Ⅲ为最大功耗限制线；Ⅳ为最大漏源电压限制线。

图6 P-MOSFET正向偏置安全工作区