功率MOSFET的基本原理和分类

功率场效应晶体管（PowerMOSFET）分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS（Metal Oxide Semiconductor）FET型，简称功率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），本书不讲述。功率MOSFET是20世纪70年代，在集成电路工艺基础上发展起来的半导体电力电子器件。它是IGBT技术的先导，其特点是用栅极电压来控制漏极电流。

功率MOSFET作为电压控制型器件以及单极性器件，与电流控制的双极型器件（如电力晶体管（GTR））相比有其自身的特点，表3-1将两者作了比较。

表3-1 功率MOSFET的主要特点（与双极型器件的比较）

图3-1 平面N沟MOS结构图(www.xing528.com)

功率MOSFET和传统MOS-FET的工作原理基本相同，任何一种MOS场效应器件都是利用半导体表面电场效应来工作的，MOS（金属-氧化物-半导体）结构是这种器件的核心。下面以一平面工艺制作的N沟MOS为例进行说明。如图3-1所示，MOS器件有4个电极，分别是源极S、漏极D、栅极G和衬底电极B。在单管应用时，往往将源极S与衬底B相连，构成一个表观的三端器件。

当栅压u_GS＝0时，在源极S和漏极D之间无论加何种极性的电压，两个背靠背的PN结中总有一个处于反偏状态，S、D之间只能有微小的PN结反向漏电流流过。当u_GS＞0时，此电压将在栅氧化层中建立一个自上而下的电场，从而在半导体表面有感应产生负电荷的趋势。随着U_GS的增大，P型半导体表面的多数载流子——空穴逐渐减少、耗尽，进而电子逐渐积累到反型。当表面达到反型时，电子积累层将在N^＋源、漏区之间形成导电沟道。此时若在漏源之间加一偏置电压，即U_DS≠0，则将有较大的电流I_D流过。使半导体表面达到强反型时所需加的栅-源电压，称为阈值电压，即为U_T。

上述N沟MOSFET，在U_GS＞U_T时栅极下面的硅表面才感应产生导电沟道，这种类型通常称为N沟增强型MOSFET。如果栅极下面的氧化膜中包含大量正电荷，这些正电荷即使在U_GS＝0时也足以使栅极下面的P型Si表面感应形成N型层；如果栅极电压向负方向增大，反型层中电子逐渐减少，当负栅极电压U_GS＝U_T时，感应形成的反型沟道消失。这种U_GS＝0时已有导电沟道，只有在负栅极电压｜U_GS｜＞U_T时沟道才消失的器件称为N沟耗尽型MOSFET。还有用N型硅作衬底的P沟MOSFET。这样从工作模式和载流子类别来说，MOSFET一共可分为N沟增强型、N沟耗尽型、P沟增强型和P沟耗尽型4个类别，如图3-2所示。功率MOSFET主要是增强型的，尤其以N沟增强型最为常见。

图3-2 MOSFET的分类