功率MOSFET的分类

MOSFET”是英文metal-oxide- semiconductor field effect transistor的缩写，意即“金属氧化物半导体场效应晶体管”。小信号MOSFET主要用于模拟电路的信号放大和阻抗变换，但也可应用于开关或斩波。功率MOSFET除少数应用于音频功率放大器，工作于线性范围，大多数用作开关和驱动器，工作于开关状态，耐压从几十伏到上千伏，工作电流可达几安培到几十安培。功率MOSFET都是增强型MOSFET，它具有优良的开关特性。近年来，功率MOSFET广泛地应用于电源、计算机及外设（软、硬盘驱动器、打印机、扫描器等）、消费类电子产品、通信装置、汽车电子及工业控制等领域。本文介绍其分类、工作原理、主要特点、主要参数及特性、基本工作电路及应用电路举例。
        功率MOSFET的分类
    功率MOSFET可分成两类：P沟道及N沟道，其电路符号如图1所示。请记住：中间箭头向里的是N沟道而箭头向外的是P沟道。它有三个极：漏极（D）。源极（S）及栅极（G）。有一些功率MOS-FET内部在漏源极之间并接了一个二极管或肖特基二极管，这是在接电感负载时，防止反电势损坏 MOSFET。如 图2 所示。
    这两类MOSFET的工作原理相同，仅电源电压控制电压的极性相反。

        工作原理
    N沟道增强型功率MOSFETF的内部基本结构如图3所示。其中源极（S）和漏极（D）与P型衬底材料之间用扩散杂质而形成一个N区，这样各形成一个PN结。栅极（G）是做在SiO₂绝缘层上，与P型硅衬底、源极及漏极都是绝缘的。
    当漏极及源极之间加了一个V_DS电压（而栅极及源极之间未加电压），则漏极与源极通道是由两个背靠背的PN结和P型硅本体电阻串联组成，如图4所示。由于其PN结反向电流极小，在常温25℃下，其最大值为1μA（这电流称为I_DSS），相当于漏极源极关断。
    当栅极与P型硅衬底之间加V_GS电压，则可把栅极及P型硅衬底看作电容器的极板，而SiO₂是绝缘介质，它们之间形成一个电容器。当加上V_GS后在SiO₂和栅极的界面上感应出正电荷，而SiO₂与P型硅衬底界面上感应出负电荷，如图5所示。在P型硅衬底上感应的负电荷与P型硅衬底中的多数载流子（空穴）的极性相反，所以这称为“反型层”，这使半导体漏极源极之间的类型由P型转变成N型而形成允许漏极源极的N区连接而形成导电沟道。如果这时在漏源极之间加上了V_DS电压，它由漏极经N区、导电沟道及源极的N区形成通路电阻较小，可产生较小的电流I_D。

    但是如果V_GS电压较低的话，感应出来的少量负电荷被P型衬底中的空穴所俘获，因而形不成导电沟道，仍然没有电流。当V_GS增加到某一临界值后，在电场的作用下产生足够的负电荷把两个分离的N区沟通，这个电压称为开启电压或称栅极阈值电压（用符号V_GS(Th)表示），常用I_D= 10μA（有 的用I_D＝250μA）时的V_GS作为V_GS(Th)，如图6所示。当V_GS＞V_GS(Th)，而且V_DS＞V_GS-V_GS(Th)，I_D与(V_GS-V_GS(Th))² 正比。所以不大的V_GS就可以控制很大的I_D，足以使它饱和导通。V_GS＞V_GS(Th)后才有电流；V_GS越大，在P型衬底感应的负电荷越多，形成的导电沟道越深，漏源之间的电流也越大。这就是增强型N沟道MOSFET的工作原理。P沟道增强型MOSFET的工作原理与N沟道的相同，不再赘述。V_GS= 0，I_D=0的MOSFET称为增强型。
          主要特点
    MOSFET是由电压控制型器件，输入栅极电压V_G控制着漏极电流I_D，即一定条件下，漏极电流I_D取决于栅极电压V_G。增强型功率MOSFET具有下述主要特点：输人阻抗极高，最高可达10¹⁵Ω；噪声低；没有少数载流子存储效应，因而作为开关时不会因存储效应而引起开关时间的延迟，开关速度高；没有偏置残余电压，在作斩波器时可提高斩波电路的性能；可用作双向开关电路；在V_GS=0时，V_DS=0，在导通时其导通电阻很小（目前可做到几个毫欧）．损耗小，是较理想的开关；由于损耗小，可在小尺寸封装时输出较大的开关电流，而无需加散热片。
          主要参数及特性
    主要参数有极限参数及电特性。极限参数有：最大漏源电压V_DS、最大栅源电压V_GS、最大漏极电流I_D，最大功耗P_D。在使用中不能超过极限值，否则会损坏器件。
    主要电特性有：开启电压V_GS(Th)；栅极电压为零时的I_DSS电流；在一定的V_GS条件下的导通电阻R_DS(ON)。
    例如，型号为Si9400DY的P沟道增强型MOSFET的极限参数：V_DS为－20V; V_GS为±20V；连续漏极电流为±2.5A；P_D为 2.5W；工作结温为－55℃～＋150℃。其电特性有：V_GS(Th)最小值为－1V（I_D= 250μA）；I_DSS最大值为－2μA；在V_GS＝－10V时，R_DS(ON)=0.2Ω，在V_GS＝－4.5V时，R_DS(ON)=0.4Ω。
    以上的参数都是在T_A＝25℃时的值，在T_A大于25℃时，I_D、P_D的极限值将有所下降。例如 Si9400DY在 70℃时，I_D降为2A，P_D降为1.6W。这一点在实际使用时是要注意的。
      Si9400DY的V_GS与I_D的特性如图7所示（特性与图6是基本相同的），这特性称为转移特件。与图6不同的是图7的横坐标V_GS是负的。在不同的V_GS时它的导通电阻与漏电流的特性如图8所示。由图8中可看出，当 V_GS=－10V时，其导通电阻几乎是一个常值。

            基本工作电路
    P沟道功率MOSFET的基本工作电路如图9所示，N沟道功率MOSFET的基本工作电路如图10所示。在图9中，要使其导通需满足 两 个 条件：－V_GS＜-V_GS(Th) ；V_S＞V_D，即V_DS为负电压（即-V_DS）。当V_GS=0时，I_D＝0；当－V_GS＜－V_GS(Th)（若采用Si9400DY时，V_GS(Th)＝－1V），开始导通，并且随着－V_GS的值增加，－I_D增加。当－V_GS增加到一定值时，使MOS-FET饱和。
    这里采用Si9400DY型号的P沟道功率MOSFET为例作进一步的说明，在图9中，若V_GS＝－4V，按图7可知－I_D约为2A。但－I_D的实际值还要看V_CC的电压大小及负载电阻的大小，另外还要看实际的－I_D时导通电阻R_DS(ON)的值。例如, 若 V_CC=12V，R_L=10Ω，在V_GS=－4V，若不考虑MOSFET的R_DS(ON)管压降（由导通电阻R_DS(ON)所引起的），则－I_D=V_CC/R_L= 12V/l0Ω＝1.2A。在图 8中可知，在V_GS＝－4V，－I_D＝1.2A左右时，其导通电阻R_DS(ON)约035Ω，则－I_D=12/(R_L+R_DS(ON))=12V/(10Ω＋0.35Ω)=1.16A。在 MOSFET上的管压降＝－I_D×R_DS(ON)=l.16A × 0.35Ω＝0.4V。
    因此，在确定所用的P沟道MOSFET后，可从资料上找到它的转移特性及－V_GS、－I_D与R_DS(ON)的性，根据电路的参数计算出I_D来。
    在上面的例子中，当 V_GS=－4V 时，MOSFET已饱和，若要增加－I_D，必须增加V_CC才行。
    N沟道的工作电路与P沟道的情况不同：电压极性相反，负载电阻也倒换，如图10所示。
    一般的功率MOSFET是可以采用TTL逻辑电平来控制（V_GS=0～5V或V_GS= －5V～0），这类功率MOSFET称为TTL逻辑电平控制 MOSFET，而 MOSFET工作在截止与饱和导通状态，即开关状态。
            应用电路举例
    一种简单的电子开关电路如图11所示。它由一个P沟道功率MOSFET及一个反相器组成。这里的MOSFET起一个开关作用。当反相器输入高电平时，其输出为低电平，则作用于P沟道MOSFET的V_GS＝－5V，MOSFET饱和导通，相当于开关“闭合”；当反相器输人低电平时，其输出为高电平，V_GS=0，MOSFET截止，相当于开关“打开”。它是用逻辑电平来控制的电子开关。
    图12是一种低压差稳 压 器（LDO）输出电压低于额定电压5%时自动关闭电路。电源由6节可充电镍镉电池供电（额定电压7.2V）。若电池电压下降使 LDO输出降到4.75V时，其错误输出端（ERROR）输出低电平，反相器输出高电平，P沟道功率MOSFET截止，LDO失电无输出。由于ERROR接一个100kΩ接地，反相器的输出为低电平，保持反相器输出为高电平，保持负载断电。等电池充电后，按一下按钮开关S1，反相器输出低电平，MOSFET导通，LDO得电，ERROR输出高电平，电路恢复正常。
    最后再举一个例，用图9作基本工作电路（用Si9400DY型号的P沟道功率MOSFET的例子中），如何来实现用TTL电平来获得V_GS＝OV及V_GS=－4V 。这里要加一个电平转换电路，如图13所示。它由三极管9013及R1、R2、R3组成。R1为基极电阻，R2、R3为分压器电阻。在9013饱和导通时，管压降很小，若忽略这管压降，则在9013的基极加 5V电压时，使9013的集电极电压约为8V，即可获得V_GS＝－4V；若9013基极为OV，则9013截止，9013的集电极为 12V，则 V_GS=0。这样，在9013的基极施加TTL逻辑电平，可转换成V_GS=OV及V_GS＝－4V。