功率場效應晶體管的工作原理

MOSFET的類型很多，按導電溝道可分為P溝道和N溝道；根據柵極電壓與導電溝道出現的關系可分為耗盡型和增強型。功率場效應晶體管一般為N溝道增強型。從結構上看，功率場效應晶體管與小功率的MOS管有比較大的差別。小功率MOS管的導電溝道平行于芯片表面，是橫向導電器件。而P-MOSFET常采用垂直導電結構，稱VMOSFET（Vertical MOSFET），這種結構可提高MOSFET器件的耐電壓、耐電流的能力。圖1給出了具有垂直導電雙擴散MOS結構的VD-MOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）單元的結構圖及電路符號。一個MOSFET器件實際上是由許多小單元并聯組成。

如圖1所示，MOSFET的三個極分別為柵極G、漏極D和源極S。當漏極接正電源，源極接負電源，柵源極間的電壓為零時，P基區與N區之間的PN結反偏，漏源極之間無電流通過。如在柵源極間加一正電壓UGS，則柵極上的正電壓將其下面的P基區中的空穴推開，而將電子吸引到柵極下的P基區的表面，當UGS大于開啟電壓UT時，柵極下P基區表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導體反型成N型半導體，成為反型層，由反型層構成的N溝道使PN結消失，漏極和源極間開始導電。UGS數值越大，P-MOSFET導電能力越強，ID也就越大。

功率場效應晶體管的特點

（1）開關速度非常快。VMOSFET為多數載流子器件，不存在存貯效應，故開關速度快，其一般低壓器件開關時間為10ns數量級，高壓器件為100ns數量級，適擴合于做高頻功率開關。

（2）高輸入阻抗和低電平驅動。VM0S器件輸入阻抗通常10（7）Ω以上，直流驅動電流為0.1μA數量級，故只要邏輯幅值超過VM0S的閾值電壓（3.5～4V），則可由CM0S和LSTTL及標準TTL等器件直接驅動，驅動電路簡單。

（3）安全工作區寬。VM0S器件無二次擊穿，安全工作區由器件的峰值電流、擊穿電壓的額定值和功率容量來決定，故工作安全，可靠性高。

（4）熱穩定性高。VMOS器件的最小導通電壓由導通電阻決定，其低壓器件的導通電阻很小，但且隨著漏極-源極間電壓的增大而增加，即漏極電流有負的溫度系數，使管耗隨溫度的變化得到一定的自補償。

（5）易于并聯使用。VM0S器件可簡單并聯，以增加其電流容量，而雙極型器件并聯使用需增設均流電阻、內部網絡匹配及其他額外的保護裝置。

（6）跨導高度線性。VM0S器件是一種短溝道器件，當UGS上升到一定值后，跨導基本為一恒定值，這就使其作為線性器件使用時，非線性失真大為減小。

（7）管內存在漏源二極管。VM0S器件內部漏極-源極之間寄生一個反向的漏源二極管，其正向開關時間小于10ns，和快速恢復二極管類似也有一個100ns數量級的反向恢復時間。該二極管在實際電路中可起鉗位和消振作用。

（8）注意防靜電破壞。盡管VM0S器件有很大的輸入電容，不像一般MOS器件那樣對靜電放電很敏感，但由于它的柵極-源極間最大額定電壓約為±20V，遠低于100～2500V的靜電電壓，因此，要注意采取防靜電措施，即運輸時器件應放于抗靜電包裝或導電的泡沫塑料中;拿取器件時要戴接地手鐲，最好在防靜電工作臺上操作;焊接要用接地電烙鐵;在柵極-源極間應接一只電阻使其保持低阻抗，必要時并聯穩壓值為20V的穩壓二極管加以保護。

功率場效應晶體管的參數

（1） 漏源擊穿電壓UDS：決定了功率MOSFET的最高工作電壓。

（2） 柵源擊穿電壓UGS ：表征功率MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。該參數很重要：因為人體常常帶有高壓靜電，所以在接觸MOS型器件，包括電力MOSFET、普通MOSFET、MOS型集成電路時，可以先用手接觸一下接地的導體，將身體的靜電放掉，否則容易將GS間的絕緣層擊穿。另外，在用烙鐵焊MOS型器件時，應將烙鐵加熱后，拔下電源插座，再焊器件。

（3） 漏極最大電流ID：表征功率MOSFET的電流容量。一般廠家給定的漏極直流（額定）電流ID 是外殼溫度為25度時的值，所以要考慮裕量，一般為3-5倍。

（4） 開啟電壓UT：又稱閾值電壓，指功率MOSFET流過一定量的漏極電流時的最小柵源電壓。

（5） 通態電阻Ron：通態電阻Ron是指在確定柵源電壓UGS下，功率MOSFET處于恒流區時的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數。

（6） 極間電容：功率MOSFET的極間電容是影響其開關速度的主要因素。其極間電容分為兩類；一類為CGS和CGD，它們由MOS結構的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是CDS，它由PN結構成，其數值大小由溝道面積和有關結的反偏程度決定。

一般生產廠家提供的是漏源短路時的輸入電容Ci、共源極輸出電容Cout及反饋電容Cf，它們與各極間電容關系表達式為：Ci＝CGS＋CGD Cout＝CDS＋CGD Cf＝CGD，顯然，Ci﹑Cout和Cf均與漏源電容CGD有關。