mosfet基礎(chǔ)知識(shí)-mosfet結(jié)構(gòu)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(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)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” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱上包括NMOS、PMOS等。
圖1是典型平面N溝道增強(qiáng)型NMOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底，在其面上擴(kuò)散了兩個(gè)N型區(qū)，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2）絕緣層，最后在N區(qū)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(nèi)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(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起，這樣，相當(dāng)于D與S之間有一個(gè)PN結(jié)。
圖1是常見的N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)圖。為了改善某些參數(shù)的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝，構(gòu)成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。
mosfet的參數(shù)很多，包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數(shù)：
1、IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。
2、UP—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。
3、UT—開啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。
4、gM—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓UGS—對(duì)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(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。
5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過(guò)IDSM 。
絕緣型場(chǎng)效應(yīng)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，故又稱為MOS管。它的柵極-源極之間的電阻比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管大得多，可達(dá)1010Ω以上，還因?yàn)樗冉Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時(shí)溫度簡(jiǎn)單，而廣泛應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。
與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，MOS管工作原理動(dòng)畫示意圖也有N溝道和P溝道兩類，但每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，因此MOS管的四種類型為：N溝道增強(qiáng)型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強(qiáng)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(qiáng)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(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強(qiáng)型、耗盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。
N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)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(dāng)VGS＝0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)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(dāng)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(dǎo)體中的多子空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層；同時(shí)將吸引其中的少子向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成導(dǎo)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(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱為開啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)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(dǎo)
電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時(shí)ID＝0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，所以,這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。
VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，MOS管工作原理動(dòng)畫見圖1.。
轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)。
圖5 轉(zhuǎn)移特性曲線
1、不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路
圖7（a）為常用的小功率驅(qū)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關(guān)設(shè)備。圖7（b）所示驅(qū)動(dòng)電路開關(guān) 速度很快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，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關(guān)設(shè)備。這兩種電路特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)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(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)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(fù)壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干 擾性，可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，電路原理圖如圖8所示。
當(dāng)V1導(dǎo)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(dǎo)通，則被驅(qū)動(dòng)的功率管關(guān)斷；反之V1關(guān)斷 時(shí)，V2導(dǎo)通，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(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(duì)于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢，對(duì)于S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快，所以兩管發(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴(yán)重。
該驅(qū)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(qū)動(dòng)電路
（1）正激式驅(qū)動(dòng)電路。電路原理如圖9（a）所示，N3為去磁繞組，S2為所驅(qū)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(jì)。
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(fù)載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)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(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)的S2柵極、源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。
②只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)的正、關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。
③占空比固定時(shí)，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開關(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(fù)載防振蕩，故電路損耗較大；二是當(dāng)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(chǔ)存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。
（2）有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路。如圖10所示，V1、V2為互補(bǔ)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通期間GS電壓穩(wěn)定C值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。
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(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)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)隨著占空比的變化而變化。當(dāng)D較小時(shí)，負(fù)向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應(yīng)該注意使其 幅值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。當(dāng)D大于0.5時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓正向電壓小于其負(fù)向電壓，此時(shí)應(yīng)該注意使其負(fù)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(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路
電路構(gòu)成如圖11所示。其中UC3724用來(lái)產(chǎn)生高頻載波信號(hào)，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(diào)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(diào)制后得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，UC3725內(nèi)部有一肖特基整流橋同時(shí)將 7、8腳的高頻調(diào)制波整流成一直流電壓供驅(qū)動(dòng)所需功率。
一般來(lái)說(shuō)載波頻率越高驅(qū)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(shù)增多導(dǎo)致寄生參數(shù)影響變大，同樣會(huì)使抗干擾能力降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：對(duì)于開關(guān)頻率小于100kHz的信號(hào)一般 ?。?00～500）kHz載波頻率較好，變壓器選用較高磁導(dǎo)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(qū)動(dòng)電路僅適合于信 號(hào)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，因信號(hào)頻率相對(duì)載波頻率太高的話，相對(duì)延時(shí)太多，且所需驅(qū)動(dòng)功率增大，UC3724和UC3725芯片發(fā)熱溫升較高，故 100kHz以上開關(guān)頻率僅對(duì)較小極電容的MOSFET才可以。
對(duì)于1kVA左右開關(guān)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，它是一種良好的驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有以 下特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ?，控制信?hào)與驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隔離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸較小，尤其適用于占空比變化不確定或信號(hào)頻率也變化的場(chǎng)合。
1.可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)效應(yīng)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(jí)放大器的輸入級(jí)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.可以用作電子開關(guān)。
6.在電路設(shè)計(jì)上的靈活性大。柵偏壓可正可負(fù)可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負(fù)偏壓下工作。另外輸入阻抗高，可以減輕信號(hào)源負(fù)載，易于跟前級(jí)匹配。
做電源設(shè)計(jì)，或者做驅(qū)動(dòng)方面的電路，難免要用到mosfet。mosfet有很多種類，也有很多作用。做電源或者驅(qū)動(dòng)的使用，當(dāng)然就是用它的開關(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)生像三極管做開關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，因此在開關(guān)應(yīng)用中，
mosfet管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖：
在開關(guān)電源中常用mosfet管的漏極開路電路，如圖2漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。
在開關(guān)電源應(yīng)用方面，這種應(yīng)用需要mosfet管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個(gè)MOS管來(lái)執(zhí)行開關(guān)功能，這些開關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量，然后把能量釋放給負(fù)載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，因?yàn)轭l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(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此，我們電路或者電源設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是mosfet的最小傳導(dǎo)損耗。
我們經(jīng)常看mosfet的PDF參數(shù)，MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗，對(duì)開關(guān)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動(dòng))電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS(ON)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
其發(fā)熱情況有：
1.電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題，就是讓mosfet工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致mosfet發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開關(guān)，G級(jí)電壓要比電源高幾V，才能完全導(dǎo)通，P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過(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，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計(jì)電路的最忌諱的錯(cuò)誤。
2.頻率太高，主要是有時(shí)過(guò)分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，mosfet上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。
3.沒有做好足夠的散熱設(shè)計(jì)，電流太高，MOS管標(biāo)稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的輔助散熱片。
4.MOS管的選型有誤，對(duì)功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮，導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。
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