电驱动系列：三十八、 Mosfet与IGBT其一（Mosfet介绍）

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在控制领域，Mosfet与IGBT二者作为功率开关元件应用广泛，其原理是利用PN结及其组合、变形制成的电路控制元件，除此还有结构更简单的如二极管、BJT、JFET等。本节介绍下电机控制器中常用到的一种场效应晶体管：Mosfet，尤其在碳化硅（SiC）等新材料兴起后，此种晶体管在很多场合会代替IGBT，其应用会更加广泛。


38.1 Mosfet的定义
Mosfet全称为：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，即（绝缘栅型）金属氧化物场效应晶体管；Mos：为金属--SiO2-半导体构成的Mos电容器，主要作用是在Mos电容器上增加控制电压，使整个器件开通或关断。FET：为场效应晶体管，利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流，为电压控制型器件。在不同的电场下，半导体会呈现出不同的导电特性，因此称为“场效应”管。绝缘栅型指的是栅极与半导体之间有氧化物绝缘层，栅极在下面的介绍中会提到。
38.2 Mos电容器工作原理
以金属--SiO2-P型半导体组成的Mos结构为例，其结构如下：


图38.1 P型Mos电容示意图



图38.2 金属表面不加电压
（1）当金属表面施加负电压，P型硅上的多子（空穴）会被聚集到SiO2-Si界面一侧，在紧贴SiO2的薄层中出现一个空穴积累层；


图38.3 金属表面施加负电压
（2）当金属表面施加正电压，电子会向接近金属的一侧靠近，P型硅上的多子（空穴）会积累在远离金属的一侧，在紧贴SiO2的薄层中会出现缺乏空穴的表面耗尽层；


图38.4 金属表面施加一定范围内的正电压
（3）当金属表面施加的正电压足够大，超过某临界值时，贴近金属表面一侧获得大量的电子，填补空穴后仍会存在大量自由电子，此时贴近金属表面一侧表现为N型半导体，称为反型层或沟道，反型层对FET的电流传输起到关键的作用。反型层如图38.5中所示。（注：为了前后一致，图中离子形式未作更改）。


图38.5 金属表面施加足够大的正电压
通过控制Mos电容器的电压，使P型硅表面的反型层出现或消失，即可控制器件的开通或关断。
38.3 MOSFET的分类
MOSFET分为耗尽型和增强型两种类型，每一种类型都有N沟道管和P沟道管两种；最常用的是“增强型N沟道”类型的场效应管。


图38.6 MOSFET的分类
不管哪一种类型的场效应管，都是N沟道管用得多、P沟道管用得少。这是因为N沟道管是电子导电（电子在导带运动，阻力小），而P沟道管是空穴导电（空穴在价带运动，阻力大），同样驱动能力的NMOS通常比PMOS所占用的面积要小，所以一般做电路设计时都会优先考虑使用N沟道管，只有在设计一些特殊的需要N-P配对的对管电路时，才会用到P沟道管。
38.4 N沟道增强型MOSFET



图38.7 N沟道增强型Mosfet结构及接线图
栅极G：Gate，为控制极，类似于栅栏门一样，称为栅极。源极S：Source，电路中电子从此处流入，在Mosfet中为流动电子的源头，称为源极；漏极D：Drain，在Mosfet中电子从这里流出，称为漏极；在栅极处加正向控制电压UGS；漏极处加正向电压UDS。通过控制UGS的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制导通电流的大小。当UGS为0时，由于漏极与源极之间为NPN结构，无导电沟道，因此无论UDS为正或负，电路均无法导通。当UGS为正时，由于SiO2绝缘层很薄（μm级），栅极G和P型硅之间会产生很强的电场，此电场会吸引电子到P型半导体与绝缘层的交界面，交界面处的多子（空穴）会受到排斥；当UGS增大到某一值UGS(TH)时，P型硅与绝缘层之间会形成一个N型薄层，此薄层是由P型硅转换而来，为反型层；反型层N与漏极、源极的两个N型区相连形成导电沟道，此时加电压UDS即可在回路产生电流；我们称UGS(TH)为开启电压；


图38.8 N沟道增强型Mosfet工作原理图
当UGS继续增加，MOS电容内产生的电场越强，形成的反型层N沟道越宽，电流越大。由于对MOS电容施加电压进行控制，形成的反型层为N沟道，且随着UGS的增大，导电性也随之增强，因此称为N沟道增强型Mosfet。
38.5 VDMOSFET
VDMOSFET为垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，是上面介绍的Mosfet的改进型，将漏极的N型硅分为两个部分，增加了掺杂浓度相对较高的N＋层（＋表示掺杂浓度高，-表示掺杂浓度低），提高了载流能力：


图38.9 VDMOSFET结构示意图
当栅极G增加足够高时，P+层紧贴G极板表面形成N反型层，两侧源极S的电子通过N反型层穿过到达中间的N-区，经过N-区到达衬底N+区，衬底N+表面镀金属与引出漏极D。


图38.10 VDMOSFET工作原理图
图中rCH为沟道电阻（假设两路总电阻为rCH），rACC为积累层电阻，rJFET为结型夹断电阻，rD为漏层电阻，VDMOSFET的导通电阻为r=rCH+rACC+rJFET+rD高压部件中rD起主要作用，rD与沟道宽度成正比及与N型区厚度成反比，因此较厚的N型区导通电阻大，不利于降低MOSFET的功率损耗。