MOSFET的基本原理特点及应用(共5页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上MOSFET的基本原理特点及应用分类: | 标签: 摘要：本文主要介绍 mosfet 的基本原理，以及按照其运行原理来分类，最后介绍了其基本运用。 mosfet 自 1976 年开发出功率MOSFET 以来，由于半导体工艺技术的发展，它的性能不断提高：如高压功率 MOSFET 其工作电压可达 1200V ；一般也能做到低导通电阻 MOSFET 其阻值仅 lOm ；工作频率范围从直流到达数兆赫；保护措施越来越完善；并开发出各种贴片式功率 MOSFET( 如Siliconix 最近开发的厚度为 1.5mm “Little Foot 系列 ) 。另外，价格也不断降低，使应用

2、越来越广泛，不少地方取代双极型晶体管。 功率 MOSFET 主要用于计算机外设 ( 软、硬驱动器、打印机、绘图机 ) 、电源 (AC DC 变换器、 DC DC 变换器 ) 、汽车 、音响电路及仪器、仪表等领域。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) 及半导体三种材料制成的器件。所谓功率 MOSFET(Power MOSFET) 是指它能输出较大的工作电流 ( 几安到几十安 ) ，用于功率输

3、出级的器件。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 型硅半导体材料作衬底 ( 图 la) ，在其面上扩散了两个 N 型区 ( 图 lb) ，再在上面覆盖一层二氧化硅 (SiQ2) 绝缘层 ( 图 lc) ，最后在 N 区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方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 中可以看出栅极 G 与漏极 D 及源极 S 是绝缘的， D 与 S 之间有两个 PN 结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起。 图 1 是 N 沟道增

4、强型 MOSFET 的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高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，但其工作原理是相同的，这里就不一一介绍了。 MOSFET 的工作原理要使增强型 N 沟道 MOSFET 工作，要在 G 、 S 之间加正电压 VGS 及在 D 、 S 之间加正电压 VDS ，则产生正向工作电流 ID 。改变 VGS 的电压可控制工作电流 ID 。如图 3 所示（上面 ）。了解了N型MOSFET的工作原理，P型M

5、OSFET的工作原理与N型的相同。只不过是材料类型不同，工作的电压极性全部相反。MOSFET有增强型与耗尽型。前者居多。即：其漏级（D）电流Id随栅极（G）电压Vgs增加而增加。而后者的Id与Vgs是反比关系。 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，因此漏源之间不能导电。如果在栅极 G 与源极 S 之间加一电压 VGS 。此时可以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)

6、。这层感应的负电荷和 P 型衬底中的多数载流子 ( 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 型区连接起来形成导电沟道。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，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流 ID 。当 VGS 增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的 N 区沟通形成 N 沟道，这个临界电压称为开启电压 ( 或称阈值电压、门限电压 ) ，用符号 VT 表示 ( 一般规定在 ID 10uA 时的 VGS 作为 VT) 。当 VGS 继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低， ID 也随之增加，并且呈较好线性

7、关系，如图 4 所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变 VGS 来控制漏源之间的电阻，达到控制 ID 的作用。 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 时也有一定的 ID( 称为 IDSS) ，这种 MOSFET 称为耗尽型。它的结构如图 5 所示，它的转移特性如图 6 所示。 VP 为夹断电压 (ID 0) 。耗尽型与增强型主要区别是在制造 SiO2 绝缘层中有大量的正离子，使在 P 型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个 N 型区中间的 P 型硅内形成一 N 型硅薄层而形成一导电沟道，所以在

8、VGS 0 时，有 VDS 作用时也有一定的 ID(IDSS) ；当 VGS 有电压时 ( 可以是正电压或负电压 ) ，改变感应的负电荷数量，从而改变 ID 的大小。 VP 为 ID 0 时的 -VGS ，称为夹断电压。除了上述采用 P 型硅作衬底形成 N 型导电沟道的 N 沟道MOSFET 外，也可用 N 型硅作衬底形成 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) 。 为防止 MOSFET 接电感负载时，在截止瞬间产生感应

9、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恢复二极管，如图 8 所示。功率 MOSFET 的特点功率 MOSFET 与双极型功率相比具有如下特点： 1 MOSFET 是电压控制型器件 ( 双极型是电流控制型器件 ) ，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单； 2 输入阻抗高，可达 108 以上； 3 工作频率范围宽，开关速度高 ( 开关时间为几十纳秒到几百纳秒 ) ，开关损耗小； 4 有较优良的线性区，并且 MOSFET 的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作 Hi-Fi 音响； 5 功率 MOSF

10、ET 可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。典型应用电路 1 电池反接保护电路 电池反接保护电路如图 9 所示。一般防止电池接反损坏电路采用串接二极管的方法，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。采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 0.04 ，则在 lA 时约为 0.04V 。这时要注意在电池正确安装时， ID 并非完全通过管内的二极管，而是在 VGS5V 时， N 导电沟道畅通 ( 它相当于一个极小的电阻 ) 而大部分电流是从 S 流

11、向 D 的 (ID 为负 ) 。而当电池装反时， MOSFET 不通，电路得以保护。2 触摸调光电路 一种简单的触摸调光电路如图 10 。当手指触摸上触头时，电容经手指电阻及 100k 充电， VGS 渐增大，灯渐亮；当触摸下触头时，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 建立 VGS 静态工作点 ( 此时有一定的 ID 流过 ) 。当音频信号经过 C1 耦合到栅极，使产生 - VGS ，则产生较大的 ID ，经输出变压器阻抗匹配，使 4 8 喇叭输出较大的声功率。图 ll 中 Dw 为 9V 稳压二极管，是保护 G 、 S 极以免输入过高电压而击穿。从图中也可以看出，偏置电阻的数值较大，因为栅极输入阻抗极高，并且无栅流专心-专注-专业