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MOSFET开关:电源变换器基础知识及应用

发布时间:2022-02-28 来源:芯源系统 责任编辑:wenwei

【导读】金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 是一种场效应晶体管 (FET) 电子器件。它可以充当压控电流源,并主要用作开关或用于放大电信号。MOSFET的控制是通过向栅极施加特定的电压来进行的。当MOSFET导通时,电流通过在 体区(称为bulk或body)中形成的沟道,从MOSFET的漏极流向源极。大多数情况下,MOSFET的 体区与源极连接,这也是为什么MOSFET通常被称为3引脚器件的原因。


MOSFET的工作原理


金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 是一种场效应晶体管 (FET) 电子器件。它可以充当压控电流源,并主要用作开关或用于放大电信号。MOSFET的控制是通过向栅极施加特定的电压来进行的。当MOSFET导通时,电流通过在 体区(称为bulk或body)中形成的沟道,从MOSFET的漏极流向源极。大多数情况下,MOSFET的 体区与源极连接,这也是为什么MOSFET通常被称为3引脚器件的原因。

 

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图1: MOSFET


P沟道MOSFET与N沟道MOSFET


MOSFET是一种半导体器件,主要采用P型或N型硅制造。这两种硅类型之间的区别在于掺杂离子中存储的电荷。掺杂离子为带电粒子,注入硅中以产生电荷不稳定性,使元件可用于 导电用途。如果硅区域中掺杂了具有五价电子(元素周期表中的第V族)的离子,那么就会有一个额外的电子被释放到半导体中,因此电荷总体为负(N 型)。它们贡献了一个电子,因此硅中的这些杂质被称为施体杂质。另一方面,在价带中具有三个电子的元素将缺少一个电子,这相当于贡献了一个空穴,意味着总电荷为正(P型)。这些杂质被称为受体杂质。图2显示了P型和N型半导体掺杂物的差异,以及它们对硅结构的影响。

 

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图2: 掺杂物-施体或受体杂质


最简单的 MOSFET 结构由一个衬底(可以是P型或者N型)和两个与 体区极性相反的硅区域组成,它们构成了漏极和源极(见图3)。MOSFET可以构建为具有P型衬底和N型漏极与源极区域,这意味着,要使电流从漏极流向源极,沟道也必须为N型。这种结构被称为N沟道MOSFET,或NMOS晶体管。反之,如果衬底为N型,则沟道为P型,称为P沟道MOSFET,或PMOS晶体管。


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图3: MOSFET结构


增强型MOSFET和耗尽型MOSFET


MOSFET的名称来源于控制它们的结构。其栅极引脚连接到导电电极,而导电电极通过二氧化硅层或另一种绝缘材料与衬底隔开。因此,当向栅极施加电压时,金属栅极会产生电场,并通过氧化层传递到硅衬底(金属-氧化物-半导体)。电场会对衬底半导体中的自由电荷载流子(例如空穴或电子)产生影响,并将它们拉近至栅极以形成沟道,或将它们推开以破坏沟道。


当电场施加到半导体上时,它会作用于器件的自由电荷载流子。均匀分布在整个半导体中的自由电子会被吸引到电场的入口点(对具有正栅极电压的MOSFET而言,该入口点为栅极)。而空穴将被拖向与电子相反的电场方向(见图 4), 这称为载流子漂移,逻辑上它会改变半导体内的电荷浓度分布。


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图4: 半导体中的载流子漂移


MOSFET的主要目的是控制漏极与源极之间的沟道形成,它通过将正确的载流子集中在最靠近栅极的区域来形成或者破坏沟道。因此,MOSFET又可以分为两个基本组别:耗尽型MOSFET和增强型MOSFET。


耗尽型MOSFET具有一个预生成的沟道(见图 5)。当电压施加到栅极时,电场将沟道中的载流子推出并耗尽。因此,耗尽型 MOSFET 可以等同于常闭合开关。


而增强型MOSFET中的沟道仅在施加栅极电压时才形成,而且会吸引电荷并增强沟道区。这种MOSFET可视为常开路开关,在电子应用中最为常见。因为如果断电,开关关闭,电流将停止在电路中流动,从而避免了不受控的操作,并提高了电路安全性。本文以下的内容将仅涉及增强型N沟道MOSFET。


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图5: 耗尽型MOSFET


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图6: 增强型MOSFET


MOSFET的工作区


基于以上解释,可以明显看出,MOSFET工作中最重要的一个因素是施加到栅极上的电压。事实上,MOSFET 的工作是由 MOSFET栅极和源极之间的电压(VGS)定义的。图7显示了VGS 如何影响流过MOSFET的电流。在增强型N沟道 MOSFET中,当栅极和源极之间没有施加电压时,沟道就不存在。这个工作区被称为截止区;当晶体管处于此工作区时,没有电流从漏极流向源极,这意味着MOSFET的行为就如同一个开路开关。


随着栅极电压的增加,沟道开始形成,但直到达到某个电压水平(称为阈值电压),漏极和源极之间才会导通。一旦达到阈值电压,电流就开始流过MOSFET。该区域被称为饱和区,此时MOSFET相当于一个压控电流源。随着栅极电压增加,流过开关的电流也会增加。饱和区主要用于信号放大,因为栅极中微小的电压变化都会导致输出电流的较大变化(见图 7)。最后输出的电流可以用来改变电阻器两端的电压,这也是共源放大器的基本工作原理。


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图7: 漏电流和栅极电压


随着栅极电压的不断增加,沟道也会增强。在饱和区时,沟道还没有完全连接漏源区,因此漏极和源极之间的电压对操作没有太大的影响。然而,一旦沟道增强到足以连接漏极和源极(此时的电压称为夹断电压,它是饱和区的上限),MOSFET沟道就完全增强,晶体管表现为完全闭合的开关。


从此时开始,由于漏极与源极之间存在电压损耗,MOSFET可以被视为一个电阻(RDS(ON))。这个新的工作区被称为欧姆区或线性区,在此区域,MOSFET上的电流增加,并与施加在MOSFET漏极和源极之间的电压成线性比例,当然,它仍然受到栅源电压的限制(见图 8)。


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图8: 漏电流和漏源电压


通过图8可以深入了解不同工作区对不同应用的用处。如前所述,饱和区最适于放大信号,因为在相同的VDS条件下,栅极电压的微小变化都会导致较大的电流变化。不过,由于MOSFET 的功耗由电流和MOSFET两端电压 (VDS) 的乘积定义,因此,饱和区在功效方面表现也是最差的,因为它具有明显的电流和漏源电压。


当 MOSFET 用于开关应用时,则必须确保MOSEFT仅作为全开开关或全闭开关工作,以减少功耗。换句话说,它必须仅工作于截止区或线性区,并尽可能避免进入饱和区。


功率MOSFET中的寄生元件


对任何电子设备而言,了解它所包含的寄生元件都非常重要,寄生元件是在器件结构中无意产生的组件。上文实际上已经涵盖了其中之一,即导通电阻,但MOSFET 结构中还含有其他寄生组件(参见图9和图10)。


MOSFET中出现的其他无源元件主要包括晶体管结构产生的各种电容。寄生电容有很多,但主要需要考虑的是在栅极和漏极之间、以及在栅极和源极之间形成的电容。这些电容限制了器件能够达到的最大开关频率。 


除了这些无源元件之外,源极、 体区和漂移区形成的N+-P-N- 结会形成双极结型晶体管(BJT)。这种晶体管对 MOSFET 的安全运行至关重要。如果它意外导通,将导致MOSFET进入“闩锁”状态,从而极大地降低最大阻断电压。如果超过该电压,BJT会导致器件雪崩击穿,在没有限制电流时可能会损坏器件。因此,必须让基极(体区)电压尽可能接近发射极(源极)电压,以使BJT始终关断。这也是功率MOSFET中源极和基极几乎总是短路的原因。而且,源极和体区短路会形成一个二极管,称为体二极管。它不像BJT那样会存在问题,在某些应用中甚至还很有用。


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图9: 功率MOSFET中的寄生元件


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图10: 寄生电容


功率 MOSFETs


在电源应用设计中采用MOSFET的目的之一是确保电源可以在高压下工作,这也意味着它可以在需要时阻断高电压,而不会被击穿。这一点是通过在漏极的N-Si和体区的P-Si之间形成的二极管效应来实现的。在偏置下,漏- 体PN结就如同一个反向偏置二极管,它形成空间电荷区 (SCR) 并阻断电压。偏置电压越高,阻断电压所需的空间电荷区就越大。如果电压足够高,SCR将可能穿透漏极和源极之间的空间,从而导致MOSFET导通,这被称为反向击穿。因此,在高电压下工作的关键似乎是拥有一个非常长的MOSFET沟道。然而,制造更长的晶体管并不是一个可行的选择,原因如下:


•效率:更长的沟道意味着更高的RDS(ON),这会导致更高的导通损耗。

•尺寸:更长的沟道将占用更多空间,会降低MOSFET的集成能力。 


基于以上原因,功率MOSFET并非采用我们习惯看到的传统MOSFET结构来构建(见图 5),而是采用垂直结构构建,其源极和栅极在顶板上,漏极在底部(见图 11)。


由于晶体管的深度不会带来制造上的问题,因此耗尽区可以根据需要尽可能长,而这也只会增加导通损耗。通过将MOSFET 漏极连接到整个金属背板上,可以更容易地将这些MOSFET并联以提高电流能力。


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图11: 垂直MOSFET结构


如前所述,MOSFET 晶体管的主要能量损耗来自开关或导通。通过使用快速开关晶体管并采用软开关可以最小化开关损耗,但减少导通损耗则几乎完全取决于MOSFET的结构,尤其取决于导通电阻,即RDS(ON)。


导通电阻的值取决于沟道的长度和半导体的载流子浓度。当然,电压越高,电场愈强,耗尽区也更大(见图12)。由于耗尽区不能贯穿整个沟道,因此深度必须加大。然而,增加半导体长度对导通电阻又会产生显著的负面影响,因此,穿通半导体应运而生。


在这种类型的半导体器件中,漏极中的 N 区被分成两个不同掺杂密度的部分:具有很高掺杂密度的N+区,以及称为漂移层的低密度区。由于两个区域之间存在掺杂梯度,反向偏置产生的电场不再是三角形。相反,它可以“穿通”漂移区的限制,形成一个矩形(见图13)。这样,器件将允许更高的最大阻断电压,而不必增加沟道长度。 


不过,漂移层的低掺杂浓度对该区的半导体电导率有负面影响,这限制了对导通电阻的影响。


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图12: 非穿通半导体


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图13: 穿通半导体


MOSFET安全工作区(SOA)


与所有器件一样,MOSFET 也对其工作条件有所限制。这些限制条件主要与它们在击穿前可以工作的最大电压和电流组合有关。为了更好地体现这些限制,大多数MOSFET数据表都会提供安全工作区 (SOA) 图表(参见图 14)。


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图14: MOSFET 安全工作区(SOA)


安全工作区的上限取决于可以流经设备的最大电流。最大电流受器件RDS(ON)的限制,因为流经MOSFET沟道(以及电阻)的电流会产生热量,可能会导致器件损坏。


SOA 的垂直右侧限制由MOSFET可以阻断但不会击穿并导致导通的最大电压来决定。这取决于MOSFET的结构、沟道长度和制造中使用的材料,如上节内容所述。


SOA 右上角的对角线限制代表 MOSFET 在饱和区维持工作的能力。开关中的电流和电压组合主要出现在饱和状态下,此时,MOSFET消耗功率,然后必然以热量的形式耗散。如果MOSFET上的电流和电压乘积过高,过多的热量将可能损坏器件。 


SOA 右上角的几条线表示功耗限制。这些线显示出,MOSFET的耗散限制随晶体管发现自身处于饱和状态的时间百分比而变化。


如果 MOSFET 处于直流电压下,则MOSFET上会有恒定的电流和电压,器件也会持续发热,这极大地限制了其耗散所产生能量的能力。但是,如果MOSFET导通和关断,则器件仅在一小段时间内发热,因此可以承受更高的电流和电压。保持导通的时间越短,电压和电流就可以越高,此时仅受最大电流和电压的限制。


结论


MOSFET几乎是所有电子系统不可或缺的组成部分。这推动了MOSFET结构的不断创新,新材料不断出现,电路设计不断克服当前的物理限制,晶体管也变得越来越小。MPS在该领域做出了极为重要的突破,其电源转换模块具有的电源开关可以承受高达100A的连续输出电流,例如MPM3695-100。要了解更多信息,请访问MPS官网,并参阅相关技术文章, 参考设计, 和应用说明。



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