mosfet基礎知識-mosfet結構及工作原理-mosfet技術(shù)資料-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-12-10
mosfet是MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著(zhù)氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應來(lái)控制半導體（S）的場(chǎng)效應晶體管。
MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類(lèi)型，通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)上包括NMOS、PMOS等。
圖1是典型平面N溝道增強型NMOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導體材料作襯底，在其面上擴散了兩個(gè)N型區，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2）絕緣層，最后在N區上方用腐蝕的方法做成兩個(gè)孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內做成三個(gè)電極：G(柵極）、S（源極）及D（漏極），如圖所示。
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(gè)PN結。一般情況下，襯底與源極在內部連接在一起，這樣，相當于D與S之間有一個(gè)PN結。
圖1是常見(jiàn)的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(kāi)關(guān)特性等有不同的結構及工藝，構成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結構。
mosfet的參數很多，包括直流參數、交流參數和極限參數，但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數：
1、IDSS—飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應管中，柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。
2、UP—夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應管中，使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。
3、UT—開(kāi)啟電壓。是指增強型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導通時(shí)的柵極電壓。
4、gM—跨導。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量場(chǎng)效應管放大能力的重要參數。
5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在場(chǎng)效應管上的工作電壓必須小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場(chǎng)效應管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí)，場(chǎng)效應管實(shí)際功耗應小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源電流。是一項極限參數，是指場(chǎng)效應管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過(guò)的最大電流。場(chǎng)效應管的工作電流不應超過(guò)IDSM 。
絕緣型場(chǎng)效應管的柵極與源極、柵極和漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，因此而得名。又因柵極為金屬鋁，故又稱(chēng)為MOS管。它的柵極-源極之間的電阻比結型場(chǎng)效應管大得多，可達1010Ω以上，還因為它比結型場(chǎng)效應管溫度穩定性好、集成化時(shí)溫度簡(jiǎn)單，而廣泛應用于大規模和超大規模集成電路中。
與結型場(chǎng)效應管相同，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)示意圖也有N溝道和P溝道兩類(lèi)，但每一類(lèi)又分為增強型和耗盡型兩種，因此MOS管的四種類(lèi)型為：N溝道增強型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強型管、P溝道耗盡型管。凡柵極-源極電壓UGS為零時(shí)漏極電流也為零的管子均屬于增強型管，凡柵極-源極電壓UGS為零時(shí)漏極電流不為零的管子均屬于耗盡型管。
根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時(shí)管子是呈截止狀態(tài)，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區域的載流子，形成導電溝道。
N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱(chēng)的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個(gè)高摻雜的N型區，從N型區引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。
當VGS＝0 V時(shí)，漏源之間相當兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì )在D、S間形成電流。
當柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間形成的電容電場(chǎng)作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的多子空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層；同時(shí)將吸引其中的少子向表層運動(dòng)，但數量有限，不足以形成導電溝道，將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流ID。
進(jìn)一步增加VGS，當VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱(chēng)為開(kāi)啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導
電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱(chēng)為反型層。隨著(zhù)VGS的繼續增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時(shí)ID＝0，只有當VGS＞VGS(th)后才會(huì )出現漏極電流，所以,這種MOS管稱(chēng)為增強型MOS管。
VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線(xiàn)描述，稱(chēng)為轉移特性曲線(xiàn)，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)見(jiàn)圖1.。
轉移特性曲線(xiàn)的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱(chēng)為跨導。跨導。
圖5 轉移特性曲線(xiàn)
1、不隔離的互補驅動(dòng)電路
圖7（a）為常用的小功率驅動(dòng)電路，簡(jiǎn)單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設備。圖7（b）所示驅動(dòng)電路開(kāi)關(guān) 速度很快，驅動(dòng)能力強，為防止兩個(gè)MOSFET管直通，通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開(kāi)關(guān)設備。這兩種電路特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單。
功率MOSFET屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過(guò)其閥值電壓就會(huì )導通。由于MOSFET存在結電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然 上升將會(huì )通過(guò)結電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補驅動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干 擾性，可在此種驅動(dòng)電路的基礎上增加一級有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負壓，電路原理圖如圖8所示。
當V1導通時(shí)，V2關(guān)斷，兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導通，則被驅動(dòng)的功率管關(guān)斷；反之V1關(guān)斷 時(shí)，V2導通，上管導通，下管關(guān)斷，使驅動(dòng)的管子導通。因為上下兩個(gè)管子的柵、源極通過(guò)不同的回路充放電，包含有V2的回路，由于V2會(huì )不斷退出飽和直至 關(guān)斷，所以對于S1而言導通比關(guān)斷要慢，對于S2而言導通比關(guān)斷要快，所以?xún)晒馨l(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴重。
該驅動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源，且由于R的取值不能過(guò)大，否則會(huì )使V1深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以R上會(huì )有一定的損耗。
2、隔離的驅動(dòng)電路
（1）正激式驅動(dòng)電路。電路原理如圖9（a）所示，N3為去磁繞組，S2為所驅動(dòng)的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。因不要求漏感較小，且從速度方面考慮，一般R2較小，故在分析中忽略不計。
其等效電路圖如圖9（b）所示脈沖不要求的副邊并聯(lián)一電阻R1，它做為正激變換器的假負載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導通。同時(shí)它還可 以作為功率MOSFET關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅動(dòng)電路的導通速度主要與被驅動(dòng)的S2柵極、源極等效輸入電容的大小、S1的驅動(dòng)信號的速度以及S1所能 提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化電流越小，U1值越小，關(guān)斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①電路結構簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現了隔離驅動(dòng)。
②只需單電源即可提供導通時(shí)的正、關(guān)斷時(shí)負壓。
③占空比固定時(shí)，通過(guò)合理的參數設計，此驅動(dòng)電路也具有較快的開(kāi)關(guān)速度。
該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負載防振蕩，故電路損耗較大；二是當占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化較大。脈寬較窄時(shí)，由于是儲存的能量減少導致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。
（2）有隔離變壓器的互補驅動(dòng)電路。如圖10所示，V1、V2為互補工作，電容C起隔離直流的作用，T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。
導通時(shí)隔離變壓器上的電壓為（1-D）Ui、關(guān)斷時(shí)為D Ui，若主功率管S可靠導通電壓為12V，而隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/[（1-D）Ui]。為保證導通期間GS電壓穩定C值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①電路結構簡(jiǎn)單可靠，具有電氣隔離作用。當脈寬變化時(shí)，驅動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì )隨著(zhù)變化。
②該電路只需一個(gè)電源，即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，且有較高的抗干擾能力。
但該電路存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會(huì )隨著(zhù)占空比的變化而變化。當D較小時(shí)，負向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應該注意使其 幅值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。當D大于0.5時(shí)驅動(dòng)電壓正向電壓小于其負向電壓，此時(shí)應該注意使其負電壓值不超過(guò)MOAFET柵極允許電壓。所 以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場(chǎng)合。
（3）集成芯片UC3724/3725構成的驅動(dòng)電路
電路構成如圖11所示。其中UC3724用來(lái)產(chǎn)生高頻載波信號，載波頻率由電容CT和電阻RT決定。一般載波頻率小于600kHz，4腳和6腳兩端產(chǎn)生 高頻調制波，經(jīng)高頻小磁環(huán)變壓器隔離后送到UC3725芯片7、8兩腳經(jīng)UC3725進(jìn)行調制后得到驅動(dòng)信號，UC3725內部有一肖特基整流橋同時(shí)將 7、8腳的高頻調制波整流成一直流電壓供驅動(dòng)所需功率。
一般來(lái)說(shuō)載波頻率越高驅動(dòng)延時(shí)越小，但太高抗干擾變差；隔離變壓器磁化電感越大磁化電流越 小，UC3724發(fā)熱越少，但太大使匝數增多導致寄生參數影響變大，同樣會(huì )使抗干擾能力降低。根據實(shí)驗數據得出：對于開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz的信號一般 取（400～500）kHz載波頻率較好，變壓器選用較高磁導如5K、7K等高頻環(huán)形磁芯，其原邊磁化電感小于約1毫亨左右為好。
這種驅動(dòng)電路僅適合于信 號頻率小于100kHz的場(chǎng)合，因信號頻率相對載波頻率太高的話(huà)，相對延時(shí)太多，且所需驅動(dòng)功率增大，UC3724和UC3725芯片發(fā)熱溫升較高，故 100kHz以上開(kāi)關(guān)頻率僅對較小極電容的MOSFET才可以。
對于1kVA左右開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，它是一種良好的驅動(dòng)電路。該電路具有以 下特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ鳎刂菩盘柵c驅動(dòng)實(shí)現隔離，結構簡(jiǎn)單尺寸較小，尤其適用于占空比變化不確定或信號頻率也變化的場(chǎng)合。
1.可應用于放大。由于場(chǎng)效應管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。
2.很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。
3.可以用作可變電阻。
4.可以方便地用作恒流源。
5.可以用作電子開(kāi)關(guān)。
6.在電路設計上的靈活性大。柵偏壓可正可負可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負偏壓下工作。另外輸入阻抗高，可以減輕信號源負載，易于跟前級匹配。
做電源設計，或者做驅動(dòng)方面的電路，難免要用到mosfet。mosfet有很多種類(lèi)，也有很多作用。做電源或者驅動(dòng)的使用，當然就是用它的開(kāi)關(guān)作用。
無(wú)論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì )發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲效應，因此在開(kāi)關(guān)應用中，
mosfet管的開(kāi)關(guān)速度應該比三極管快。其主要原理如圖：
在開(kāi)關(guān)電源中常用mosfet管的漏極開(kāi)路電路，如圖2漏極原封不動(dòng)地接負載，叫開(kāi)路漏極，開(kāi)路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負載電流。是理想的模擬開(kāi)關(guān)器件。這就是MOS管做開(kāi)關(guān)器件的原理。當然MOS管做開(kāi)關(guān)使用的電路形式比較多了。
在開(kāi)關(guān)電源應用方面，這種應用需要mosfet管定期導通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴(lài)兩個(gè)MOS管來(lái)執行開(kāi)關(guān)功能，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。我們常選擇數百kHz乃至1MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當于一個(gè)導體。因此，我們電路或者電源設計人員最關(guān)心的是mosfet的最小傳導損耗。
我們經(jīng)常看mosfet的PDF參數，MOS管制造商采用RDS(ON)參數來(lái)定義導通阻抗，對開(kāi)關(guān)應用來(lái)說(shuō)，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅動(dòng))電壓VGS以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅動(dòng)，RDS(ON)是一個(gè)相對靜態(tài)參數。一直處于導通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，慢慢升高的結溫也會(huì )導致RDS(ON)的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結到管殼的熱阻抗。
其發(fā)熱情況有：
1.電路設計的問(wèn)題，就是讓mosfet工作在線(xiàn)性的工作狀態(tài)，而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這也是導致mosfet發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開(kāi)關(guān)，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導通，P-MOS則相反。沒(méi)有完全打開(kāi)而壓降過(guò)大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著(zhù)發(fā)熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤。
2.頻率太高，主要是有時(shí)過(guò)分追求體積，導致頻率提高，mosfet上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。
3.沒(méi)有做好足夠的散熱設計，電流太高，MOS管標稱(chēng)的電流值，一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴重，需要足夠的輔助散熱片。
4.MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內阻沒(méi)有充分考慮，導致開(kāi)關(guān)阻抗增大。
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