浅谈功率MOSFET及其应用

“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。

N沟道增强型功率MOSFET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VDS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IDSS），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SiO\(_{2}\)是绝缘介质，它们之间形成一个电容器。当加上V\(_{GS}\)后在SiO\(_{2}\)和栅极的界面上感应出正电荷，而SiO\(_{2}\)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\(_{GS（Th）}\)）\(^{2}\)成正比。所以不大的VGS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。

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：输入阻抗极高，最高可达10\(^{15}\)Ω；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\(_{DS（ON）}\)=0.20Ω，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），这特性称为转移特性。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。

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\(_{DS}\)=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的管压降（由导通电阻R\(_{DS（ON）}\)所引起的），则-I\(_{D}\)=V\(_{CC}\)/R\(_{L}\)=12V/10Ω=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0.35Ω，则-I\(_{D}\)=12V/（R\(_{L}\)+R\(_{DS（ON）}\)）=12V/（10Ω+0.35Ω）=1.16A。在MOSFET上的管压降=-I\(_{D}\)×R\(_{DS（ON）}\)=1.16A×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\(_{DS（ON）}\)的特性，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。

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”；当反相器输入低电平时，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\(_{GS}\)=0V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0V，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\(_{GS}\)=0V及V\(_{GS}\)=-4V。

（方佩敏）