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文档简介

1、。自1976年功率金属氧化物半导体场效应晶体管发展以来,由于半导体技术的发展,其性能不断提高:例如,高压功率金属氧化物半导体场效应晶体管的工作电压可达1000伏;低导通电阻金属氧化物半导体场效应晶体管的电阻只有10欧姆;工作频率范围从DC到几兆赫;保护措施越来越完善;并开发了各种表面贴装功率金属氧化物半导体场效应晶体管(如硅新公司最近开发的1.5毫米厚的“小脚系列”)。此外,价格也在下降,这使得应用越来越广泛,许多地方取代了双极晶体管。功率金属氧化物半导体场效应晶体管主要用于计算机外围设备(软硬件驱动器、打印机、绘图仪)、电源(交流/DC转换器、DC/DC转换器)、汽车电子、音频电路、仪器仪表

2、等领域。本文将介绍功率场效应晶体管的结构、工作原理和基本工作电路。什么是场效应晶体管“金属氧化物半导体场效应晶体管”是英语中金属氧化物半导体场效应晶体管的缩写,翻译成中文就是“金属氧化物半导体场效应晶体管”。它是由金属、氧化物(二氧化硅或氮化硅)和半导体制成的器件。所谓的功率金属氧化物半导体场效应晶体管是指能够输出大的工作电流(几安培到几十安培)的器件,用于功率输出级。场效应晶体管的结构图1是典型的平面n沟道增强场效应晶体管的截面图。它使用一片P型硅半导体材料作为衬底(图1a),在其表面上扩展两个N型区域(图1b),然后覆盖二氧化硅绝缘层(图1c)。最后,通过蚀刻在氮区上制作两个孔,并且通过金

3、属化在绝缘层上和两个孔中制作三个电极:栅极、源极和漏极从图1可以看出,栅极g与漏极d和源极s绝缘,并且在漏极d和源极s之间有两个PN结。通常,衬底和源极在内部连接在一起。图1是n沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管的基本结构图。为了改善某些参数的特性,如增加工作电流、增加工作电压、降低导通电阻和改善开关特性,有不同的结构和工艺,构成了所谓的VMOS、DMOS、TMOS等结构。图2是n沟道增强型功率MOSFET的结构图。虽然它们有不同的结构,但是它们的工作原理是相同的,所以在这里就不介绍了。场效应晶体管的工作原理为了使增强型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管工作,在栅极和源极之间施加正电压VG

4、S,在漏极和源极之间施加正电压VDS,从而产生正向工作电流。工作电流可以通过改变VGS电压来控制。如上面的图3所示。如果VGS没有首先连接(即,VGS=0),则在D和S电极之间施加正电压VDS,并且漏极D和衬底之间的PN结被反转,因此漏极和源极不能导电。如果在栅极g和源极s之间施加电压VGS。此时,栅极和衬底可以被视为电容器的两个极板,并且氧化物绝缘层用作电容器的电介质。当施加VGS时,在绝缘层和栅极之间的界面处感应出正电荷,而在绝缘层和P型衬底之间的界面处感应出负电荷(如图3所示)。由该层感应的负电荷与P型衬底中多数载流子(空穴)的极性相反,因此被称为“反型层”,其可以连接漏极和源极N型区域

5、以形成导电沟道。当VGS电压太低时,感应的负电荷较少,这将被P型衬底中的空穴中和,因此在这种情况下漏极和源极之间仍然没有电流ID。当VGS增加到一定值时,感应负电荷连接两个分离的氮区,形成一个氮通道。这个临界电压被称为阈值电压(或阈值电压,mosfet),它由符号VT表示(通常,ID=10UA的VGS被定义为VT)。随着VGS持续增加,负电荷增加,导电通道扩展,电阻降低,内径也增加,显示出良好的线性关系,如图4所示。这条曲线被称为转换特性。因此,在一定范围内,可以认为改变VGS可以控制漏极和源极之间的电阻,达到控制漏极电流的作用。由于这种结构,当Vgs=0,ID=0时,这种场效应晶体管被称为增

6、强模式耗尽型和增强型的主要区别在于二氧化硅绝缘层中存在大量的正离子,这导致p型衬底的界面上产生更多的负电荷,即在两个n型区域之间的p型硅中形成一个n型硅薄层,形成导电沟道,因此当vgs=0时,在VDS的作用下存在一定的id(IDSS);当VGS有电压(正或负)时,它会改变感应负电荷的数量,从而改变内径的大小。当id=0时,VP为-VGS,这称为夹断电压。除了通过使用p型硅作为衬底形成的上述具有n型导电沟道的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管之外,还可以通过使用n型硅作为衬底形成具有p型导电沟道的p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。这样,场效应晶体管的分类如图7所示。耗尽型:n沟道(图7a);p

7、通道(图c);增强:n通道(图b);p通道(图d)。为了防止感应电压和电源电压之和在金属氧化物半导体场效应晶体管连接到电感负载时击穿金属氧化物半导体场效应晶体管,在功率金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极和源极之间连接了一个快速恢复二极管,如图8所示。功率场效应晶体管的特性与双极功率相比,功率金属氧化物半导体场效应晶体管具有以下特点:1.金属氧化物半导体场效应晶体管是一种压控器件(双极型是一种电流控制器件),所以在驱动大电流时不需要推级,电路简单;2.输入阻抗高,可达108以上;3.工作频率范围宽,开关速度快(开关时间为几十纳秒至几百纳秒),开关损耗小;4.它具有良好的线性区域,并且MOSFET

8、的输入电容比双极型小得多,因此它的交流输入阻抗极高;噪音也小,最适合制作高保真音响;5.可以并联使用多个功率金属氧化物半导体场效应晶体管来增加输出电流,而无需均流电阻。典型应用电路1.电池反向连接保护电路电池反向连接保护电路如图9所示。通常,防止电池被反向连接损坏的电路采用串联二极管的方法。当电池反接时,PN结反接没有压降,但正常运行时有0.60.7V的管压降。具有低导通电阻的增强型n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管具有非常小的管压降。例如,Si9410DY的导通电阻约为0.04,在1a时约为0.04伏。此时,需要注意的是,当电池安装正确时,内径不会完全通过管中的二极管,但当VGS5V时,N导电通道畅通(相当于一个很小的电阻),大部分电流从S流向D(内径为负)。当电池倒置安装时,场效应晶体管被阻断,电路受到保护。2.触摸调光电路一个简单的触摸调光电路如图10所示。当手指接触上触点时,电容由手指电阻充电,100k,VGS逐渐增加,灯逐渐点亮;当触摸下触点时,电容通过100k和手指电阻放电,灯熄灭。3.甲类功率放大器电路VGS静态操作点是由R1和R2建立的(此时,某个标识流过)。当

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