电力场效应晶体管的工作原理及应用

电力场效应晶体管同小功率场效应晶体管一样也有两种类型，即结型和绝缘栅型。但通常使用的是绝缘栅型中的MOS型，简称电力场效应晶体管（Power-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），通常用P-MOSFET表示。

P-MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多数载流子）参与导电，所以称为单极型晶体管。

P-MOSFET是通过栅极电压来控制漏极电流的，因此其驱动功率小，驱动电路简单，同时具有开关速度快、工作频率高的特点。P-MOSFET的工作频率在电力电子器件中最高，但电流容量相对较小，耐压较低，一般只适用于容量相对较小的装置。

1.P-MOSFET的结构和工作原理

P-MOSFET的种类和结构较多，按导电沟道分为P沟道和N沟道两种。当栅极电压为零时源漏之间就存在导电沟道的称为耗尽型；对于N（P）沟道器件，当栅极电压大于（或小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。P-MOSFET在实际应用中，主要是N沟道增强型。

P-MOSFET和小功率MOS管的原理基本相同，但在结构上有较大区别。小功率MOS管是由一次扩散形成的器件，其栅极G、源极S和漏极D在芯片同一侧，导电沟道平行于芯片表面，属横向导电器件。P-MOSFET是由两次扩展形成的器件。一般100V以下的器件是横向导电的，称为横向双扩散器件（Lateral Double Diffused），简称LDMOS。电压较高的器件做成垂直导电型，称为垂直双扩散器件（Vertical Double Diffused），简称VDMOS。这种器件是把漏极移到另一个表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于加大电流密度和减小芯片面积。下面主要以VDMOS型器件为例进行讨论。

P-MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多个小P-MOSFET元组成。为有效利用器件面积，每个元制成六边形。图1-28a是VDMOS中一个单元的截面图，它是在电阻率很低的重掺杂N+衬底上生长一层漂移层N，该层的厚度和杂质浓度决定了器件的正向阻断能力。然后在漂移层上再生长一层很薄的栅极氧化物，在氧化物上沉积多晶硅栅极。在用光刻法除去一部分氧化物后，进行P区和N+源区双区双扩散，并沉积源极电极。这样，就形成了N沟道增强型P-MOSFET。P-MOSFET的电气图形符号如图1-28b所示。

图1-28 P-MOSFET的结构和电气图形符号

当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J₁反偏，漏源极间无电流流过。如果在栅极和源极间加一正电压U_GS，由于栅极是绝缘的，所以并不会有电流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当U_GS大于某一电压U_T时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J₁消失，漏极和源极导电。电压U_T称为开启电压或阈值电压，U_GS超过U_T越多，导电能力越强，漏极电流越大，I_D和U_GS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为P-MOSFET的转移特性，如图1-29a所示。从图中可见，I_D较大时，I_D与U_GS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为跨导G_fs，即

P-MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。

图1-29 P-MOSFET的转移特性和输出特性

a）P-MOSFET的转移特性 b）P-MOSFET的输出特性

图1-29b是P-MOSFET的漏极伏安特性，也称输出特性。从图中可以看出，P-MOSFET有3个工作区：

1）截止区：U_GS＜U_T，I_D=0。

2）饱和区：U_GS＞U_T，U_DS＞U_GS-U_T，当U_GS不变时，I_D几乎不随U_DS的增加而增加，近似为常数，故称为饱和区。该区与GTR放大区对应。(www.xing528.com)

3）非饱和区：U_GS＞U_T，U_DS＜U_GS-U_T，漏源电压U_DS与漏极电流之比近似为常数。该区对应于GTR饱和区。

2.P-MOSFET的开关特性

图1-30a是用来测试P-MOSFET开关特性的电路。图中u_p为矩形波信号源，如图1-30b所示，R_S为信号源内阻，R_G为栅极电阻，R_L为漏极负载电阻，R_F用于检测漏极电流。图1-30b为P-MOSFET开关特性曲线。图中u_GS是栅极电压波形，i_D是漏极电流波形，t_d（on）是开通延迟时间，t_r是上升时间，t_d（off）是关断延迟时间，t_f是下降时间。则P-MOSFET的开通时间和关断时间定义为：

图1-30 P-MOSFET的开关过程

a）测试电路 b）P-MOSFET开关特性曲线

开通时间t_on——开通延迟时间t_d（on）与上升时间t_r之和，以t_on表示，即

t_on=t_d（on）+t_r （1-11）

关断时间t_off——关断延迟时间t_d（off）与下降时间t_f之和，以t_off表示，即

t_off=t_d（off）+t_f （1-12）

3.P-MOSFET的主要参数

1）漏极电压U_DS——P-MOSFET电压定额的参数。

2）漏极直流电流I_D和漏极脉冲电流幅值I_DM——P-MOSFET电流定额的参数。

3）栅源电压U_GS——栅源极间所加电压，由于栅源之间的绝缘层很薄，U_GS＞20V将导致绝缘层击穿。

4）极间电容——P-MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容C_GS、C_GD、C_DS。一般生产厂提供的是漏源极短路时的输入电容C_iss、共源极输出电容C_oss和反向转移电容C_rss。它们之间的关系是

前面讲过的C_in可近似用C_iss代替。这些电容都是非线性的。漏源间耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了P-MOSFET的安全工作区。一般来说，P-MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。目前，它主要应用于小功率电子设备中。