瀋陽微控制器開發網——幫您精確掌握電子器件的使用細節 class="txt">功率mosfet的基本知識
自2023年開發出功率mosfet以來，由於半導體工藝技術的發展，它的效能不斷提高：如高壓功率mosfet其工作電壓可達1000v；低導通電阻mosfet其阻值僅lomω；工作頻率範圍從直流到達數兆赫；保護措施越來越完善；並開發出各種貼片式功率mosfet(如siliconix最近開發的厚度為1.5mm「little foot系列)。
另外，**也不斷降低，使應用越來越廣泛，不少地方取代雙極型電晶體。
功率mosfet主要用於計算機外設(軟、硬驅動器、印表機、繪圖機)、電源(ac／dc變換器、dc／dc變換器)、汽車電子、音響電路及儀器、儀表等領域。
本文將介紹功率mosfet的結構、工作原理及基本工作電路。
什麼是mosfet：
「mosfet」是英文metaloxide semicoductor field effect transistor的縮寫，譯成中文是「金屬氧化物半導體場效電晶體」。它是由金屬、氧化物(sio2或sin)及半導體三種材料製成的器件。所謂功率mosfet(power mosfet)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用於功率輸出級的器件。
mosfet的結構：
圖1是典型平面n溝道增強型mosfet的剖面圖。它用一塊p型矽半導體材料作襯底(圖la)，在其面上擴散了兩個n型區(圖lb)，再在上面覆蓋一層二氧化矽(siq2)絕緣層(圖lc)，最後在n區上方用腐蝕的方法做成兩個孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內做成三個電極：g(柵極)、s(源極)及d(漏極)，如圖1d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pn結。一般情況下，襯底與源極在內部連線在一起。
圖1是n溝道增強型mosfet的基本結構圖。為了改善某些引數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等有不同的結構及工藝，構成所謂vmos、dmos、tmos等結構。圖2是一種n溝道增強型功率mosfet的結構圖。
雖然有不同的結構，但其工作原理是相同的，這裡就不一一介紹了。
1mosfet的工作原理：
要使增強型n溝道mosfet工作，要在g、s之間加正電壓vgs及在d、s之間加正電壓vds，則產生正向工作電流id。改變vgs的電壓可控制工作電流id。如圖3所示（上面↑）。
若先不接vgs(即vgs＝0)，在d與s極之間加一正電壓vds，漏極d與襯底之間的pn結處於反向，因此漏源之間不能導電。如果在柵極g與源極s之間加一電壓vgs。此時可以將柵極與襯底看作電容器的兩個極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質。
當加上vgs時，在絕緣層和柵極介面上感應出正電荷，而在絕緣層和p型襯底介面上感應出負電荷(如圖3)。這層感應的負電荷和p型襯底中的多數載流子(空穴)的極性相反，所以稱為「反型層」，這反型層有可能將漏與源的兩n型區連線起來形成導電溝道。當vgs電壓太低時，感應出來的負電荷較少，它將被p型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時，漏源之間仍然無電流id。
當vgs增加到一定值時，其感應的負電荷把兩個分離的n區溝通形成n溝道，這個臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓)，用符號vt表示(一般規定在id ＝10ua時的vgs作為vt)。當vgs繼續增大，負電荷增加，導電溝道擴大，電阻降低，id也隨之增加，並且呈較好線性關係，如圖4所示。此曲線稱為轉換特性。
因此在一定範圍內可以認為，改變vgs來控制漏源之間的電阻，達到控制id的作用。
由於這種結構在vgs＝0時，id＝0，稱這種mosfet為增強型。另一類mosfet，在vgs＝0時也有一定的id(稱為idss)，這種mosfet稱為耗盡型。它的結構如圖5所示，它的轉移特性如圖6所示。
vp為夾斷電壓(id＝0)。
耗盡型與增強型主要區別是在製造sio2絕緣層中有大量的正離子，使在p型襯底的介面上感應出較多的負電荷，即在兩個n型區中間的p型矽內形成一n型矽薄層而形成一導電溝道，所以在vgs＝0時，有vds作用時也有一定的id(idss)；當vgs有電壓時(可以是正電壓或負電壓)，改變感應的負電荷數量，從而改變id的大小。vp為id＝0時的-vgs，稱為夾斷電壓。
除了上述採用p型矽作襯底形成n型導電溝道的n溝道mosfet外，也可用n型矽作襯底形成p型導電溝道的p溝道mosfet。這樣，mosfet的分類如圖7所示。
耗盡型：n溝道(圖7a)；p溝道(圖c)；
增強型：n溝道（圖b)；p溝道(圖d)。
為防止mosfet接電感負載時，在截止瞬間產生感應電壓與電源電壓之和擊穿mosfet，一般功率mosfet在漏極與源極之間內接乙個快速恢復二極體，如圖8所示。
功率mosfet的特點
功率mosfet與雙極型功率相比具有如下特點：
1．mosfet是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅動大電流時無需推動級，電路較簡單；
2．輸入阻抗高，可達108ω以上；
3．工作頻率範圍寬，開關速度高(開關時間為幾十納秒到幾百納秒)，開關損耗小；
4．有較優良的線性區，並且mosfet的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；雜訊也小，最合適製作hi-fi音響；
5．功率mosfet可以多個併聯使用，增加輸出電流而無需均流電阻。
典型應用電路
1．電池反接保護電路
電池反接保護電路如圖9所示。一般防止電池接反損壞電路採用串接二極體的方法，在電池接反時，pn結反接無電壓降，但在正常工作時有0.6～0.
7v的管壓降。採用導通電阻低的增強型n溝道mosfet具有極小的管壓降(rds(on)×id)，如si9410dy的rds(on）約為0.04ω，則在la時約為0.
04v。這時要注意在電池正確安裝時，id並非完全通過管內的二極體，而是在vgs≥5v時，n導電溝道暢通(它相當於乙個極小的電阻)而大部分電流是從s流向d的(id為負)。而當電池裝反時，mosfet不通，電路得以保護。
2．觸控調光電路
一種簡單的觸控調光電路如圖10。當手指觸控上觸頭時，電容經手指電阻及100k充電，vgs漸增大，燈漸亮；當觸控下觸頭時，電容經
100k及手指電阻放電，燈漸暗到滅。
3．甲類功率放大電路
由r1、r2建立vgs靜態工作點(此時有一定的id流過)。當音訊訊號經過c1耦合到柵極，使產生-△vgs，則產生較大的△id，經輸出變壓器阻抗匹配，使4～8ω喇叭輸出較大的聲功率。圖ll中dw為9v穩壓二極體，是保護g、s極以免輸入過高電壓而擊穿。
從圖中也可以看出，偏置電阻的數值較大，因為柵極輸入阻抗極高，並且無柵流。
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