MOSFET结构及其工作原理详解-电子技术方案|电路图讲解

1.概述

MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

 

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR， 但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

 

2.功率MOSFET的结构和工作原理

功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

 

2.1功率MOSFET的结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但 结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

 

 

按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。

 

功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司 （Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。

 

2.2功率MOSFET的工作原理

截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

 

导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面

 

当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

 

2.3功率MOSFET的基本特性

 

2.3.1静态特性；其转移特性和输出特性如图2所示。

 

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs

 

MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力 MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力 MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

 

2.3.2动态特性；其测试电路和开关过程波形如图3所示。

 

 

　　开通过程；开通延迟时间td(on) —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段；

　　上升时间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；

　　iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。

　　开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。

　　关断延迟时间td(off) —up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。

　　下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS　

　　关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。

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随着LED技术的日趋成熟，LED照明的使用越来越广泛，例如手机的LED闪光，LED家用灯具，汽车的LED前灯和尾灯等等。但是如何有效的延长LED的使用寿命，也许你并不是特别清楚。我们今天的话题就围绕针对过度电性应力（EOS）的冲击，如何有效的保护LED的方案之间的区别来展开。

 

EOS是Electrical Over Stress的缩写，指所有的过度电性应力。EOS冲击的意思是电子元器件被施加的电流或者电压超过该元器件最大的设计规范要求时，该元器件便会发生性能减弱，甚至于直接损坏的现象。

 

LED器件很容易受到EOS的损伤，这种损坏有时能够直接击坏器件造成失效，而有时失效则可能在EOS发生一段时间后才发生。电源输出质量的不稳定，各种过电压过电流的噪音，以及热插拔应用使用中的突入电流现象等都是能够产生EOS失效的诸多因素，这种EOS现象都属于短时间的过负荷，在短时间内（一般在一秒钟内）LED受到尖峰电压或者尖峰电流的冲击，这种电压或者电流的能量超过了LED的设计额定值，从而损伤LED器件。

 

简单介绍了LED的EOS问题后，我们来看看解决方案。保护LED免受EOS损伤的防护方案基本都是将EOS产生的瞬态电压箝位在器件所能承受的范围内。理论上消除这种瞬态电压最好的防护器件是电容，电容能很好的将瞬态电压吸收。但是在实际应用中，由于电容的高温寿命和较大体积等因素，实在不是一种比较好的方案。

 

因此大多的工程师在解决该问题时往往偏向于使用TVS稳压管来进行保护，但是在选择TVS管的时候必须考虑到TVS管所能承受的最大功率，由于EOS冲击的瞬态能量的不确定性，想要完全承受所有的EOS冲击的瞬态能量就需要选择比较昂贵的大功率TVS管，这往往是产品工程师所不愿意的。那时如果因为成本问题选择相对较小功率的TVS管后，在实际的应用中如果有较大能量的EOS冲击，可能会减弱、甚至损坏TVS管的保护功能。如果TVS管损坏，那后续的EOS将直接对LED形成冲击，导致LED的受损。另外，TVS管的箝位电压的精度也会直接影响到EOS冲击对后续LED的作用，因为加在LED两端的电压增加都会立刻表现为流经LED的电流增大。

 

另外还有一种方案，就是使用TE公司的PolyZen系列元器件，该起降能够有效的减轻EOS侵扰，提高产品的可靠性。TE公司电路保护部的PolyZen产品是独立的表面贴装器件，它集成了一个可供选择齐纳电压 （Vz）的精密齐纳二极管，以及一个PolySwitch聚合物正温度系数 （PPTC） 器件，产品原理图如图1所示。PolyZen系列适用于空间狭小的薄型紧凑型环境，它使用了具有热保护功能的齐纳二极管，以帮助保护电子产品避免电压瞬变、反向偏置和错误的电源使用造成的失效。如图2，Polyzen产品的典型应用框图，在故障状态时，精密齐纳二极管能快速有效的钳位电压并分流故障电流，而PolySwitch PPTC组件则可以继而快速的关断过大的电流，从而帮助保护齐纳二极管和下游电子组件。

 

图1：Polyzen 产品原理图

 

图2：  Polyzen 产品的典型应用

 

PolyZen产品的典型故障响应如图3所示，图例中选用的是一个集成了5.6V齐纳电压的PolyZen器件，在24V过压条件（Vin）下，系统有10A的故障电流（Iflt）通过，PolyZen器件中的精密齐纳二极管能够快速的将输出电压（Vout）钳位在5.6V附近，保护了负载电路，同时器件中的PPTC能够快速的动作截断电流，持续长久保护齐纳二极管与整个电路。

 

图3：Polyzen产品的典型故障响应

 

将PolyZende的产品用于LED的EOS保护电路中时，不仅能快速将EOS的瞬态电压箝位到安全电压以下，并且当EOS冲击的能量较大时，PolyZen器件内部的齐纳二极管会促使PPTC动作，保护齐纳二极管本身以及后续电路。而且在有些不能因为故障而缺失照明的LED照明系统中，PPTC更优于其他过流保护的器件，因为PPTC在保护状态下依然能使LED发光，但是又不损坏LED。而且集成在PolyZen器件内部的齐纳二极管的箝位电压精度非常高，能准确的将电压箝位在安全范围内。因此相对于TVS管的EOS保护方案，PolyZen器件具有更多的优势。

 

PolyZen系列元器件是具有纤薄外形的集成式过压和过流保护器件，具有强大的电路保护功能，以帮助保护敏感的电子产品，避免因为过压和过流失效而导致的代价昂贵的产品返修和质保问题。PolyZen系列产品为电路板设计人员提供了方便的过压过流保护器件，让他们不再需要花费大量的时间去集成并测试低效的分立器件及较昂贵的IC解决方案。

 

如今PolyZen系列产品已经有丰富的齐纳二极管与PPTC集成组合方便实际应用选择。其小尺寸，独立贴装，多功能保护已经成为过流过压保护应用中一种具备显着性能与价格优势的创新型解决方案，超越了使用熔断器、齐纳二极管和其它无源组件的分立式解决方案。

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