MOSFET開關：電源變換器基礎知識及應用

MOSFET開關：電源變換器基礎知識及應用

MOSFET的工作原理

金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 是一種場效應晶體管 (FET) 電子器件。它可以充當壓控電流源，并主要用作開關或用于放大電信號。MOSFET的控制是通過向柵極施加特定的電壓來進行的。當MOSFET導通時，電流通過在 體區（稱為bulk或body）中形成的溝道，從MOSFET的漏極流向源極。大多數情況下，MOSFET的 體區與源極連接，這也是為什么MOSFET通常被稱為3引腳器件的原因。

圖1: MOSFET

P溝道MOSFET與N溝道MOSFET

MOSFET是一種半導體器件，主要采用P型或N型硅制造。這兩種硅類型之間的區別在于摻雜離子中存儲的電荷。摻雜離子為帶電粒子，注入硅中以產生電荷不穩定性，使元件可用于 導電用途。如果硅區域中摻雜了具有五價電子（元素周期表中的第V族）的離子，那么就會有一個額外的電子被釋放到半導體中，因此電荷總體為負（N 型）。它們貢獻了一個電子，因此硅中的這些雜質被稱為施體雜質。另一方面，在價帶中具有三個電子的元素將缺少一個電子，這相當于貢獻了一個空穴，意味著總電荷為正（P型）。這些雜質被稱為受體雜質。圖2顯示了P型和N型半導體摻雜物的差異，以及它們對硅結構的影響。

圖2: 摻雜物-施體或受體雜質

最簡單的 MOSFET 結構由一個襯底（可以是P型或者N型）和兩個與 體區極性相反的硅區域組成，它們構成了漏極和源極（見圖3）。MOSFET可以構建為具有P型襯底和N型漏極與源極區域，這意味著，要使電流從漏極流向源極，溝道也必須為N型。這種結構被稱為N溝道MOSFET，或NMOS晶體管。反之，如果襯底為N型，則溝道為P型，稱為P溝道MOSFET，或PMOS晶體管。

圖3: MOSFET結構

增強型MOSFET和耗盡型MOSFET

MOSFET的名稱來源于控制它們的結構。其柵極引腳連接到導電電極，而導電電極通過二氧化硅層或另一種絕緣材料與襯底隔開。因此，當向柵極施加電壓時，金屬柵極會產生電場，并通過氧化層傳遞到硅襯底（金屬-氧化物-半導體）。電場會對襯底半導體中的自由電荷載流子（例如空穴或電子）產生影響，并將它們拉近至柵極以形成溝道，或將它們推開以破壞溝道。

當電場施加到半導體上時，它會作用于器件的自由電荷載流子。均勻分布在整個半導體中的自由電子會被吸引到電場的入口點（對具有正柵極電壓的MOSFET而言，該入口點為柵極）。而空穴將被拖向與電子相反的電場方向（見圖 4）， 這稱為載流子漂移，邏輯上它會改變半導體內的電荷濃度分布。

圖4: 半導體中的載流子漂移

MOSFET的主要目的是控制漏極與源極之間的溝道形成，它通過將正確的載流子集中在最靠近柵極的區域來形成或者破壞溝道。因此，MOSFET又可以分為兩個基本組別：耗盡型MOSFET和增強型MOSFET。

耗盡型MOSFET具有一個預生成的溝道（見圖 5）。當電壓施加到柵極時，電場將溝道中的載流子推出并耗盡。因此，耗盡型 MOSFET 可以等同于常閉合開關。

而增強型MOSFET中的溝道僅在施加柵極電壓時才形成，而且會吸引電荷并增強溝道區。這種MOSFET可視為常開路開關，在電子應用中最為常見。因為如果斷電，開關關閉，電流將停止在電路中流動，從而避免了不受控的操作，并提高了電路安全性。本文以下的內容將僅涉及增強型N溝道MOSFET。

圖5: 耗盡型MOSFET

圖6: 增強型MOSFET

MOSFET的工作區

基于以上解釋，可以明顯看出，MOSFET工作中最重要的一個因素是施加到柵極上的電壓。事實上，MOSFET 的工作是由 MOSFET柵極和源極之間的電壓（VGS）定義的。圖7顯示了VGS 如何影響流過MOSFET的電流。在增強型N溝道 MOSFET中，當柵極和源極之間沒有施加電壓時，溝道就不存在。這個工作區被稱為截止區；當晶體管處于此工作區時，沒有電流從漏極流向源極，這意味著MOSFET的行為就如同一個開路開關。

隨著柵極電壓的增加，溝道開始形成，但直到達到某個電壓水平（稱為閾值電壓），漏極和源極之間才會導通。一旦達到閾值電壓，電流就開始流過MOSFET。該區域被稱為飽和區，此時MOSFET相當于一個壓控電流源。隨著柵極電壓增加，流過開關的電流也會增加。飽和區主要用于信號放大，因為柵極中微小的電壓變化都會導致輸出電流的較大變化（見圖 7）。最后輸出的電流可以用來改變電阻器兩端的電壓，這也是共源放大器的基本工作原理。

圖7: 漏電流和柵極電壓

隨著柵極電壓的不斷增加，溝道也會增強。在飽和區時，溝道還沒有完全連接漏源區，因此漏極和源極之間的電壓對操作沒有太大的影響。然而，一旦溝道增強到足以連接漏極和源極（此時的電壓稱為夾斷電壓，它是飽和區的上限），MOSFET溝道就完全增強，晶體管表現為完全閉合的開關。

從此時開始，由于漏極與源極之間存在電壓損耗，MOSFET可以被視為一個電阻（RDS(ON)）。這個新的工作區被稱為歐姆區或線性區，在此區域，MOSFET上的電流增加，并與施加在MOSFET漏極和源極之間的電壓成線性比例，當然，它仍然受到柵源電壓的限制（見圖 8）。

圖8: 漏電流和漏源電壓

通過圖8可以深入了解不同工作區對不同應用的用處。如前所述，飽和區最適于放大信號，因為在相同的VDS條件下，柵極電壓的微小變化都會導致較大的電流變化。不過，由于MOSFET 的功耗由電流和MOSFET兩端電壓 (VDS) 的乘積定義，因此，飽和區在功效方面表現也是最差的，因為它具有明顯的電流和漏源電壓。

當 MOSFET 用于開關應用時，則必須確保MOSEFT僅作為全開開關或全閉開關工作，以減少功耗。換句話說，它必須僅工作于截止區或線性區，并盡可能避免進入飽和區。

功率MOSFET中的寄生元件

對任何電子設備而言，了解它所包含的寄生元件都非常重要，寄生元件是在器件結構中無意產生的組件。上文實際上已經涵蓋了其中之一，即導通電阻，但MOSFET 結構中還含有其他寄生組件（參見圖9和圖10）。

MOSFET中出現的其他無源元件主要包括晶體管結構產生的各種電容。寄生電容有很多，但主要需要考慮的是在柵極和漏極之間、以及在柵極和源極之間形成的電容。這些電容限制了器件能夠達到的最大開關頻率。

除了這些無源元件之外，源極、 體區和漂移區形成的N+-P-N- 結會形成雙極結型晶體管（BJT）。這種晶體管對 MOSFET 的安全運行至關重要。如果它意外導通，將導致MOSFET進入“閂鎖”狀態，從而極大地降低最大阻斷電壓。如果超過該電壓，BJT會導致器件雪崩擊穿，在沒有限制電流時可能會損壞器件。因此，必須讓基極（體區）電壓盡可能接近發射極（源極）電壓，以使BJT始終關斷。這也是功率MOSFET中源極和基極幾乎總是短路的原因。而且，源極和體區短路會形成一個二極管，稱為體二極管。它不像BJT那樣會存在問題，在某些應用中甚至還很有用。

圖9: 功率MOSFET中的寄生元件

圖10: 寄生電容

功率 MOSFETs

在電源應用設計中采用MOSFET的目的之一是確保電源可以在高壓下工作，這也意味著它可以在需要時阻斷高電壓，而不會被擊穿。這一點是通過在漏極的N-Si和體區的P-Si之間形成的二極管效應來實現的。在偏置下，漏- 體PN結就如同一個反向偏置二極管，它形成空間電荷區 (SCR) 并阻斷電壓。偏置電壓越高，阻斷電壓所需的空間電荷區就越大。如果電壓足夠高，SCR將可能穿透漏極和源極之間的空間，從而導致MOSFET導通，這被稱為反向擊穿。因此，在高電壓下工作的關鍵似乎是擁有一個非常長的MOSFET溝道。然而，制造更長的晶體管并不是一個可行的選擇，原因如下：

效率：更長的溝道意味著更高的RDS(ON)，這會導致更高的導通損耗。

尺寸：更長的溝道將占用更多空間，會降低MOSFET的集成能力。

基于以上原因，功率MOSFET并非采用我們習慣看到的傳統MOSFET結構來構建（見圖 5），而是采用垂直結構構建，其源極和柵極在頂板上，漏極在底部（見圖 11）。

由于晶體管的深度不會帶來制造上的問題，因此耗盡區可以根據需要盡可能長，而這也只會增加導通損耗。通過將MOSFET 漏極連接到整個金屬背板上，可以更容易地將這些MOSFET并聯以提高電流能力。

圖11: 垂直MOSFET結構

如前所述，MOSFET 晶體管的主要能量損耗來自開關或導通。通過使用快速開關晶體管并采用軟開關可以最小化開關損耗，但減少導通損耗則幾乎完全取決于MOSFET的結構，尤其取決于導通電阻，即RDS(ON)。

導通電阻的值取決于溝道的長度和半導體的載流子濃度。當然，電壓越高，電場愈強，耗盡區也更大（見圖12）。由于耗盡區不能貫穿整個溝道，因此深度必須加大。然而，增加半導體長度對導通電阻又會產生顯著的負面影響，因此，穿通半導體應運而生。

在這種類型的半導體器件中，漏極中的 N 區被分成兩個不同摻雜密度的部分：具有很高摻雜密度的N+區，以及稱為漂移層的低密度區。由于兩個區域之間存在摻雜梯度，反向偏置產生的電場不再是三角形。相反，它可以“穿通”漂移區的限制，形成一個矩形（見圖13）。這樣，器件將允許更高的最大阻斷電壓，而不必增加溝道長度。

不過，漂移層的低摻雜濃度對該區的半導體電導率有負面影響，這限制了對導通電阻的影響。

圖12: 非穿通半導體

圖13: 穿通半導體

MOSFET安全工作區（SOA）

與所有器件一樣，MOSFET 也對其工作條件有所限制。這些限制條件主要與它們在擊穿前可以工作的最大電壓和電流組合有關。為了更好地體現這些限制，大多數MOSFET數據表都會提供安全工作區 (SOA) 圖表（參見圖 14）。

圖14: MOSFET 安全工作區（SOA）

安全工作區的上限取決于可以流經設備的最大電流。最大電流受器件RDS(ON)的限制，因為流經MOSFET溝道（以及電阻）的電流會產生熱量，可能會導致器件損壞。

SOA 的垂直右側限制由MOSFET可以阻斷但不會擊穿并導致導通的最大電壓來決定。這取決于MOSFET的結構、溝道長度和制造中使用的材料，如上節內容所述。

SOA 右上角的對角線限制代表 MOSFET 在飽和區維持工作的能力。開關中的電流和電壓組合主要出現在飽和狀態下，此時，MOSFET消耗功率，然后必然以熱量的形式耗散。如果MOSFET上的電流和電壓乘積過高，過多的熱量將可能損壞器件。

SOA 右上角的幾條線表示功耗限制。這些線顯示出，MOSFET的耗散限制隨晶體管發現自身處于飽和狀態的時間百分比而變化。

如果 MOSFET 處于直流電壓下，則MOSFET上會有恒定的電流和電壓，器件也會持續發熱，這極大地限制了其耗散所產生能量的能力。但是，如果MOSFET導通和關斷，則器件僅在一小段時間內發熱，因此可以承受更高的電流和電壓。保持導通的時間越短，電壓和電流就可以越高，此時僅受最大電流和電壓的限制。

結論

MOSFET幾乎是所有電子系統不可或缺的組成部分。這推動了MOSFET結構的不斷創新，新材料不斷出現，電路設計不斷克服當前的物理限制，晶體管也變得越來越小。MPS在該領域做出了極為重要的突破，其電源轉換模塊具有的電源開關可以承受高達100A的連續輸出電流，例如MPM3695-100號。要了解更多信息，請訪問MPS官網，并參閱相關技術文章, 參考設計, 和應用說明。

審核編輯：湯梓紅