上文介绍了功率MOSFET的导通条件,但它是如何导通的呢?本文再作简单的介绍,并建议读者做一个实验,以对导电原理有更深的了解。这里用N沟道功率MOSFET为例加以说明。P沟道工作原理与N沟道完全相同,差别仅用N型衬底及形成P沟道而已。
N沟道MOSFET的结构
N沟道增强型MOSFET的结构如图1所示。用一块掺杂浓度较低的P型硅片作衬底,在此衬底上用扩散工艺做了两个高掺杂的N区,分别作为漏极D及源极S,并由金属电极引出,然后再在其上面做一层二氧化硅(SiO\(_{2}\))绝缘层,在绝缘层上做一个电极,作为栅极G。衬底与源极是连接在一起的。栅极与其他极是绝缘的,所以叫绝缘栅场效应管。这个结构中采用金属(电极)、氧化物(绝缘层)半导体组成,所以称为金属氧化物半导体场效应管,这个词太长,一般用英文编写MOSFET来代替。

如果V\(_{GS}\)=0,在D极及S极之间加一个电压V\(_{DS}\),如图2所示。对于增强型MOSFET,在V\(_{GS}\)=0时,没有导电沟道,而衬底上的两个N区与P衬底之间形成两个背对背的二极管,所以图2的情况是形不成电流回路,没有漏极电源I\(_{D}\),即源漏之间不能导电。

如果在栅极与源极之间加上一个电压V\(_{GS}\)(VG>VS),这时可以把P型衬底与栅极之间看成一个电容量的两个极板,二氧化硅绝缘层作为介质,因此在绝缘层的两个面上感应出正负电荷,如图3所示。在P型衬底上感应出的负电荷和在栅极感应出正电荷。负电荷与P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反,所示称之为反型层。如果V\(_{GS}\)电压较低,则感应出来的负电荷将被P型衬底中的空穴俘获,不能形成导电沟道,因此没有漏源之间的漏极电流。当V\(_{GS}\)增大到阈值电压(开启电压)以上,在这强电场的作用下,积累了足够的负电荷,它把两个分离的N区沟道而引成一个导电沟道,漏极电流从电源正极经电流表、经D极、导电沟道、S极、到电源负极,形成电流回路。V\(_{GS}\)越大,负电荷越多,导电沟道越宽,它的导通电阻越小,可产生更大的漏极电流I\(_{D}\)。

实 验 电 路
N沟道功率MOSFET的导通实验电路如图4所示。由5V电源经10kΩ电位器分压后向N管供电(提供V\(_{GS}\)),或用3节1.5V电池供电。调节电位器可改变V\(_{GS}\)的大小。用一个指针式三用表(1kΩ挡)接N管的D极及S极(黑表笔接D,红表笔接S)。

实验开始前,将电位器中间头调到最低,即使V\(_{GS}\)≈0V,接好欧姆表,指针指示∞,说明DS未导通。然后将电位器中间头向上移动(使VGS增加),当V\(_{GS}\)大到某一个值(超过阈值电压),欧姆表的指针由∞向小的方向转动。V\(_{GS}\)↑,电阻值↓,当V\(_{GS}\)增加到某一值时,欧姆表的指针可降到0。这说明在V\(_{GS}\)到达阈值电压后,导电沟道已形成,随着V\(_{GS}\)增加,导道电阻在减小。
这电路看起来很奇怪,与图3相比较,在漏极与源极未加电压,如何会产生导电沟道?这是巧妙地利用三用表测电阻时,它利用表内的电池电压(约1.5V左右),如图5所示。

采用多圈电位器,调节缓慢(使V\(_{GS}\)渐增),导通过程看得十分清楚。若用原圈电位器,有可能稍一转动,指针就从∞→0了。
如果你有兴趣,还可以在V\(_{GS}\)到达指针刚转动时测一下V\(_{GS}\),这V\(_{GS}\)≈阈值电压。这也是测V\(_{GS}\)的简易方法(但不太精确)。
(方佩敏)