1 概述
MOSFET的中文稱號(hào)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，也叫絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，縮寫為MOSFET，簡(jiǎn)稱MOS管。功率MOSFET是一類導(dǎo)電溝道槽結(jié)構(gòu)特殊的場(chǎng)效應(yīng)管，它是繼MOSFET之后新展開起來(lái)的高效、功率開關(guān)器件。它不只繼承了MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高（≥108?）、驅(qū)動(dòng)電流小（0.1μA左右）的優(yōu)點(diǎn)，還具有耐壓高（最高可耐壓1200V）、工作電流大（1.5A～100A）、輸出功率高、跨導(dǎo)線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)秀特性。正是由于它將電子管與功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)集于一身，因此在開關(guān)電源、逆變器、電壓放大器、功率放大器等電路中獲得普遍應(yīng)用。
2 分類
MOS管是一種單極性載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。根據(jù)導(dǎo)電溝道的載流子可以劃分為N溝道和P溝道。假定導(dǎo)電溝道的載流子是電子，則稱為N溝道；假定載流子是空穴，則稱為P溝道。MOS管的導(dǎo)電溝道，可以在制造過(guò)程中構(gòu)成，也可以經(jīng)過(guò)接通外部電源構(gòu)成，當(dāng)柵壓等于零時(shí)就存在溝道（即在制造時(shí)構(gòu)成的）稱為耗盡型，在施加外部電壓后才構(gòu)成溝道的稱為增強(qiáng)型。按照導(dǎo)電溝道和溝道構(gòu)成的過(guò)程兩點(diǎn)來(lái)分類，MOS管可以分為：P溝增強(qiáng)型MOS管、P溝耗盡型MOS管、N溝增強(qiáng)型MOS管和N溝耗盡型MOS管。圖四類MOSFET和它們的圖形符號(hào)。功率MOSFET普通很少采用P溝道，由于空穴的遷移率比電子的遷移率低，相同的溝道尺寸，P溝道的晶體管比N溝道的導(dǎo)通電阻大。
3 工作原理
功率MOS管是從小功率MOS管展開來(lái)的。但在結(jié)構(gòu)上，它們之間相差很大，為了更好天文解功率MOSFET的機(jī)理，首先來(lái)回想一下小功率場(chǎng)效應(yīng)管的機(jī)理。以下以N溝道增強(qiáng)型小功率MOSFET的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明MOS管的原理。
圖1是N溝道增強(qiáng)型小功率MOSFET的結(jié)構(gòu)表示圖。
N溝道增強(qiáng)型MOS管是把一塊低摻雜的P型半導(dǎo)體作為襯底，在襯底上面用擴(kuò)散的方法構(gòu)成兩各重?fù)诫s的N＋區(qū)，然后在P型半導(dǎo)體上生成很薄的一層二氧化硅絕緣層，然后在兩個(gè)重?fù)诫s的N+區(qū)上端用光刻的辦法刻蝕掉二氧化硅層，顯露N+區(qū)，最后在兩個(gè)N+區(qū)的表面以及它們之間的二氧化硅表面用蒸發(fā)或者濺射的辦法噴涂一層金屬膜，這三塊金屬膜構(gòu)成了MOS管的三個(gè)電極，分別稱為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。MOSFET的特性可以用轉(zhuǎn)移特性曲線和漏極輸出特性曲線來(lái)表征。轉(zhuǎn)移特性是指在漏源之間的電壓UDS在某一固定值時(shí)，柵極電壓UGS與相對(duì)應(yīng)的漏極電流ID之間的關(guān)系曲線。圖3是某種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性。
圖MOS管的漏極輸出特性場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性可以劃分為四個(gè)區(qū)域：可變電阻區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)和恒流區(qū)。 可變電阻區(qū)（UDS
在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，UDS增加時(shí)，ID線性增加。在導(dǎo)電溝道接近夾斷時(shí)，增長(zhǎng)變緩。在低UDS分開夾斷電壓較大時(shí)，MOS管相當(dāng)于一個(gè)電阻，此電阻隨著UGS的增大而減小。截止區(qū)（UGS
擊穿區(qū)在相當(dāng)大的漏－源電壓UDS區(qū)域內(nèi)，漏極電流近似為一個(gè)常數(shù)。當(dāng)UDS加大道一定數(shù)值以后，漏極PN結(jié)發(fā)作擊穿，漏電流疾速增大，曲線上翹，進(jìn)入擊穿區(qū)。飽和區(qū)（UDS>UGS-UT）在上述三個(gè)區(qū)域保衛(wèi)的區(qū)域即為飽和區(qū)，也稱為恒流區(qū)或放大區(qū)。功率MOSFET應(yīng)用在開關(guān)電源和逆變器等功率變換中，就是工作在截止區(qū)和擊穿區(qū)兩個(gè)區(qū)。
4 結(jié)構(gòu)特性
圖中MOSFET的結(jié)構(gòu)是不合適運(yùn)用在大功率的場(chǎng)所，緣由是兩個(gè)方面的。一方面是結(jié)構(gòu)上小功率MOSFET三個(gè)電極在一個(gè)平面上，溝道不能做得很短，溝道電阻大。另一方面是導(dǎo)電溝道是由表面感應(yīng)電荷構(gòu)成的，溝道電流是表面電流，要加大電流容量，就要加大芯片面積，這樣的結(jié)構(gòu)要做到很大的電流可能性也很小。為了抑止MOSFET的載流才干太小和導(dǎo)通電阻大的難題，在大功率MOSFET中通常采用兩種技術(shù)，一種是將數(shù)百萬(wàn)個(gè)小功率MOSFET單胞并聯(lián)起來(lái)，進(jìn)步MOSFET的載流才干。另外一種技術(shù)就是對(duì)MOSFET的結(jié)構(gòu)中止改進(jìn)，采用一種垂直V型槽結(jié)構(gòu)。圖3是V型槽MOSFET結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3V型槽MOSFET結(jié)構(gòu)剖面圖在該結(jié)構(gòu)中，漏極是從芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平方向活動(dòng)，而是自重?fù)诫sN區(qū)（源極S）動(dòng)身，經(jīng)過(guò)P溝道流入輕摻雜N漂移區(qū)，最后垂直向下抵達(dá)漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，由于流通截面積增大，所以能經(jīng)過(guò)大電流。在相同的電流密度下，體積也大大減少。
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