功率场效应晶体管MOSFET结构和工作原理(图)

功率场效应晶体管MOSFET种类和结构繁多,按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道。当栅极电压为零时漏源极间存在导电沟道的称为耗尽型;对于 N P )沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道的称为增强型。

在功率MOSFET 中,应用较多的是 N 沟道增强型。功率 MOSFET 导电机理与小功率 MOS 管相同,但在结构上有较多区别。小功率 MOS 管是一次扩散形成的器件,其导电沟道平行于芯片表面,是横向导电器件。而功率MOSFET 大都采用垂直导电结构,这种结构能大大提高器件的耐压和通流能力。

功率场效应晶体管MOSFET结构和工作原理(图)

什么是场效应管(MOSFET)

“场效应管(MOSFET)是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写,译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(Si02或SiN)及半导体三种材料制成的器件。所谓功率场效应管(MOSFET)(Power场效应管(MOSFET))是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安),用于功率输出级的器件。

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场效应管(MOSFET)的结构

图1是典型平面N沟道增强型场效应管(MOSFET)的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底(图la),在其面上扩散了两个N型区(图1b),再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图1c),最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图1d所示。

功率场效应晶体管MOSFET结构和工作原理(图)

从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与s之间有两个PN结。

般情况下,衬底与源极在内部连接在一起。

图1是N沟道增强型场效应管(MOSFED)的基本结构图。为了改善某些参数的特性,如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺,构成所谓VMOS,DMOS,TMOS等结构。图2是一种N沟道增强型功率场效应管(MOSFET)

的结构图。虽然有不同的结构,但其工作原理是相同的,这里就不一一介绍了。


场效应管(MOSFET)的工作原理

要使增强型N沟道场效应管(MOSFET)工作,要在G,S之间加正电压VGS及在D.S之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID,改变VGS的电压可控制工作电流ID,如图3所示(上面1)

若先不接VGS(即VGS-0),在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之间的PN结处于反向,因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS,此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板,而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时,在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷,而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷(如图3),这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反,所以称为“反型层”,这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。

当VGS电压太低时,感应出来的负电荷较少,它将被P型衬底中的空穴中和,因此在这种情况时,漏源之间仍然无电流ID,当VGs增加到.定值时,其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道,这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压),用符号VT表示(般规定在ID=10uA时的VGS作为VT),当VGS继续增大,负电荷增加,导电沟道扩大,电阻降低,ID也随之增加,并且呈较好线性关系,如图4所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为,改变VGS来控制漏源之间的电阻,达到控制ID的作用。

功率场效应晶体管MOSFET结构和工作原理(图)

由于这种结构在VGS-0时,ID-0,称这种场效应管(MOSFET)为增强型。另一类场效应管(MOSFET),在VGS-0时也有一定的ID(称为IDSS),这种场效应管(MOSFET)称为耗尽型。它的结构如图5所示,它的转移特性如图6所示。VP为夹断电压(ID=0).

耗尽型与增强型主要区别是在制造Si02绝缘层中有大量的正离子,使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷,即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道,所以在VGS-0时,有VDS作用时也有一定的ID(IDSS);当VGS有电压时(可以是正电压或负电压),改变感应的负电荷数量,从而改变ID的大小。VP为ID-0时的-VGS.称为夹断电压。

除了上述采用P型硅作衬底形成N型导电沟道的N沟道场效应管(MOSFET)外,也可用N型硅作衬底形成P型导电沟道的P沟道场效应管(MOSFET),这样,场效应管(MOSFET)的分类如图所示。

功率场效应晶体管MOSFET结构和工作原理(图)


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