功率MOSFET管
自1976年开宣布功率MOSFET以来，由于半导体工艺技术的开展，它的功能不断进步：如高压功率MOSFET其作业电压可达1000V；低导通电阻MOSFET其阻值仅lOmΩ；作业频率规模从直流抵达数兆赫；维护措施越来越完善；并开宣布各种贴片式功率MOSFET(如SILIConix最近开发的厚度为1.5mm“Little Foot系列)。别的，价格也不断下降，使运用越来越广泛，不少地方替代双极型晶体管。
功率MOSFET首要用于计算机外设(软、硬驱动器、打印机、绘图机)、电源(AC／DC变换器、DC／DC变换器)、轿车电子、音响电路及仪器、外表等范畴。
本文将介绍功率MOSFET的结构、作业原理及根本作业电路。
什么是MOSFET
“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(SiO2或SiN)及半导体三种资料制成的器材。所谓功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能输出较大的作业电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器材。
MOSFET的结构
图1是典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体资料作衬底(图la)，在其面上扩散了两个N型区(图lb)，再在上面掩盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc)，最终在N区上方用腐蚀的办法做成两个孔，用金属化的办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。
从图1中能够看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般状况下，衬底与源极在内部衔接在一起。
图1是N沟道增强型MOSFET的根本结构图。为了改进某些参数的特性，如进步作业电流、进步作业电压、下降导通电阻、进步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MOSFET的结构图。虽然有不同的结构，但其作业原理是相同的，这儿就不逐个介绍了。
MOSFET的作业原理
要使增强型N沟道MOSFET作业，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则发生正向作业电流ID。改动VGS的电压可操控作业电流ID。如图3所示（上面↑）。
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，因而漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此刻能够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型衬底中的大都载流子(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型区衔接起来构成导电沟道。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，因而在这种状况时，漏源之间依然无电流ID。当VGS添加到必定值时，其感应的负电荷把两个别离的N区沟通构成N沟道，这个临界电压称为敞开电压(或称阈值电压、门限电压)，用符号VT表明(一般规定在ID＝10uA时的VGS作为VT)。当VGS持续增大，负电荷添加，导电沟道扩展，电阻下降，ID也随之添加，而且呈较好线性关系，如图4所示。此曲线称为转化特性。因而在必定规模内能够以为，改动VGS来操控漏源之间的电阻，到达操控ID的效果。
由于这种结构在VGS＝0时，ID＝0，称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET，在VGS＝0时也有必定的ID(称为IDSS)，这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图5所示，它的搬运特性如图6所示。VP为夹断电压(ID＝0)。
耗尽型与增强型首要区别是在制造SiO2绝缘层中有很多的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中心的P型硅内构成一N型硅薄层而构成一导电沟道，所以在VGS＝0时，有VDS效果时也有必定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(能够是正电压或负电压)，改动感应的负电荷数量，然后改动ID的巨细。VP为ID＝0时的-VGS，称为夹断电压。
除了上述选用P型硅作衬底构成N型导电沟道的N沟道MOSFET外，也可用N型硅作衬底构成P型导电沟道的P沟道MOSFET。这样，MOSFET的分类如图7所示。
耗尽型：N沟道(图7a)；P沟道(图c)；
增强型：N沟道（图b)；P沟道(图d)。
为避免MOSFET接电感负载时，在截止瞬间发生感应电压与电源电压之和击穿MOSFET，一般功率MOSFET在漏极与源极之间内接一个快速康复二极管，如图8所示。
功率MOSFET的特色
功率MOSFET与双极型功率比较具有如下特色：
1．MOSFET是电压操控型器材(双极型是电流操控型器材)，因而在驱动大电流时无需推进级，电路较简略；
2．输入阻抗高，可达108Ω以上；
3．作业频率规模宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；
4．有较优秀的线性区，而且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的沟通输入阻抗极高；噪声也小，最合适制造HI-FI音响；
5．功率MOSFET能够多个并联运用，添加输出电流而无需均流电阻。
典型运用电路
1．电池反接维护电路
电池反接维护电路如图9所示。
一般避免电池接反损坏电路选用串接二极管的办法，在电池接反时，PN结反接无电压降，但在正常工 作时有0.6～0.7V的管压降。选用导通电阻低的增强型N沟道MOSFET具有极小的管压降(RDS(ON)×ID)，如Si9410DY的RDS(ON）约为0.04Ω，则在lA时约为0.04V。这时要注意在电池正确装置时，ID并非彻底通过管内的二极管，而是在VGS≥5V时，N导电沟道疏通(它相当于一个极小的电阻)而大部分电流是从S流向D的(ID为负)。而当电池装反时，MOSFET不通，电路得以维护。
2．接触调光电路
一种简略的接触调光电路如图10。当手指接触上触头时，电容经手指电阻及100k充电，VGS渐增大，灯渐亮；当接触下触头时，电容经
100k及手指电阻放电，灯渐暗到灭。
3．甲类功率放大电路
由R1、R2树立VGS静态作业点(此刻有必定的ID流过)。当音频信号通过C1耦合到栅极，使发生-△VGS，则发生较大的△ID，经输出变压器阻抗匹配，使4～8Ω喇叭输出较大的声功率。图ll中Dw为9V稳压二极管，是维护G、S极避免输入过高电压而击穿。从图中也能够看出，偏置电阻的数值较大，由于栅极输入阻抗极高，而且无栅流。
