干货| MOSFET结构及其工作原理详解

发布网友 发布时间：2024-05-08 04:46

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热心网友 时间：2024-06-01 18:12

1. 探索MOSFET的世界

MOSFET，即金属氧化物半导体场效应晶体管，其核心是利用金属栅极控制半导体的电场效应来实现电流的控制。在众多类型中，功率MOSFET因其低功耗特性，常被用于电子设备的高效控制电路中，包括结型和绝缘栅型两种主要结构，其中后者因其快速开关和优良热稳定性而受到青睐。

2. 功率MOSFET的奥秘

功率MOSFET分为P沟道和N沟道，增强型设计是主流。其构造独特，采用垂直导电结构，这样既提升了耐压能力，又增强了电流承载能力。VVMOSFET和VDMOSFET是常见的类型，HEXFET、SIPMOSFET和TMOS则展示了集成多元素技术的创新。

2.1 工作原理的秘密

在静止状态下，漏源极间施加正压，栅源极无偏置，形成反向PN结。当栅极电压改变，足以使P区的电子转向，形成N沟道，从而实现导电，这是MOSFET的核心开关机制。

2.2 动态性能解析

MOSFET的特性包括转移特性（ID与UGS的函数关系）、漏极伏安特性，工作于开关状态时，寄生二极管会对其特性产生影响。动态特性涉及开关时间，如开通延迟时间（与驱动电路内阻Rs有关）、上升时间和稳态电流，以及关断延迟时间，这与内部电容Cin的放电过程息息相关。

2.3 MOSFET的速度与效率

驱动电路中的内阻Rs越小，MOSFET的开关速度越快，一般可达10到100纳秒，允许工作频率高达100千赫兹。作为场效应器件，驱动输入电容的需求随频率提升而增加，这关系到器件的功率消耗。

2.4 动态性能的优化

为了保护MOSFET免受瞬态损伤，设计者需考虑其dv/dt和di/dt能力，这关乎器件内部结构电容和寄生晶体管的影响。在功率MOSFET设计中，抑制这些寄生效应，关注内部电容的瞬态响应至关重要。

3. 高压MOSFET的挑战与突破

在高压应用中，MOSFET扮演关键角色，但随着耐压提升，导通电阻会显著增加，这限制了电流并增加了成本。通过优化材料和结构，如采用高电阻率材料和加厚外延层，可降低导通电阻，以减小损耗。

3.1 导通电阻的革新

COOLMOS的抗雪崩击穿能力使其在短路时表现出优越的安全工作特性，为用户带来更高的可靠性和效率。

3.4 比较与进步：COOLMOS vs IGBT

COOLMOS凭借其较低的损耗、提升的开关效率和更广阔的高压应用范围，与IGBT竞争中占据优势。驱动电路设计必须适应快速上升和下降的触发脉冲，以及足够的驱动电流，同时兼顾隔离与非隔离设计的适用场合。