变频电源的功率器件之MOSFET结构和工作原理
MOSFET的原意是:MOS(Metal0xide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field EHect[ansistor场效应晶体管),即以金属层(M)的极隔着氧化层(0)利用电场的效应来控制半导(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M0S型(Metal0xidesemiconduclorFET),简称功率MOSFET(PoWEr MOSFET)。结型功率场效应品体管一般称作静电感应晶体管(Suatic Induction Tnansistor--Sr)。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CIR,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。
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。
结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1-1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 MOS-FET),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(Verical Double-difused 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(IntemationalRectifer)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。
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JI反偏,漏源极之间无电流流过。
导电:在栅源极间加正电压Ucs,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Ucs>Ur:(开启电压或國值电压)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JI消失,漏极和源极导电。