概括
本文相当于一本功率MOSFET的完整教程，内容包括功率MOSFET的结构、工作原理、特点、基本工作电路以及如何选择合适的功率MOSFET等。自1976年功率MOSFET发展以来，由于随着半导体技术的发展，其性能不断提高：如高压功率MOSFET其工作电压可达1000V；低导通电阻MOSFET其电阻仅为lOmΩ；工作频率范围从DC到MHz；保护措施越来越完善；并开发多种贴片类型。功率MOSFET（如Siliconix最近开发的厚度为1.5mm的“Little Foot系列”）。
另外，价格也在下降，使得应用越来越广泛，很多地方都在取代双极型晶体管。功率MOSFET主要应用于计算机周边（软硬盘、打印机、绘图机）、电源（AC/DC转换器、DC/DC转换器）、汽车电子、音频电路及仪器、仪表等领域。
目录
概括
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I 功率 MOSFET 基础知识
1.1 什么是Mosfet和功率Mosfet
1.2 功率MOSFET的类型
二、Mosfet的构造
2.1 功率MOSFET的结构
2.2 功率MOSFET的工作原理
三、功率MOSFET的基本特性
3.1 静态特性
3.2 动态特性
3.3 MOSFET的开关速度
3.4 如何提高功率MOSFET的动态性能
IV 比较双极功率晶体管 (BPT) 和功率 Mosfet
V 功率MOSFET的选择标准
六、常见问题解答
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I 功率 MOSFET 基础知识1.1 什么是Mosfet和功率Mosfet
基于更多用户问我的问题是MOSFET基础知识、功率MOSFET基础知识、IGBT基础知识，在我更新了文章“ MOSFET和IGBT有什么区别”之后，我决定制作一系列MOSFET，为用户提供更多价值知识。这篇文章是关于功率MOSFET的。
Mosfet： MOS(Metal Oxide Semiconductor),FET(Field Effect Transistor)，是指MOSFET是基于金属层(M)氧化层(O)上的电场效应来控制半导体(S)场效应晶体管） 门。
功率MOSFET：功率场效应晶体管（简称：POWER MOSFET）也分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种，但通常主要指绝缘栅型中的MOS（金属氧化物半导体场效应管）。结型功率场效应晶体管一般称为静态感应晶体管（SIT）。其特点是利用栅极电压来控制漏电流，驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性比GTR好，但其电流容量小，电压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
1.2 功率MOSFET的类型
功率MOSFET的类型：根据导电沟道可分为P沟道和N沟道。当栅极电压为零时，存在导电沟道和增强型。对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零，功率MOSFET主要是​N沟道增强型。
增强类型：通常处于“关闭”状态


增强型Power Mosfet
耗尽型：通常切换为“ON”，没有栅极偏置电压，但需要栅极至源极电压（Vgs）将器件切换为“OFF”


功率MOSFET的耗尽型
二、Mosfet的构造2.1 功率MOSFET的结构
功率 MOSFET 可根据其栅极和漂移结构进行大致分类。
下图展示了目前使用的三种常见结构。
下图(a)为双扩散MOS(D-MOS)结构。
对于 D-MOS 器件的制造，沟道是通过双扩散工艺形成的，可提供高耐压。D-MOS工艺非常适合增加器件密度，从而可以实现具有低通态电阻和低功耗的高性能功率MOSFET。
下图(b)为沟槽栅结构。
沟槽栅极工艺形成U槽形状的垂直栅极沟道，以增加器件密度，从而进一步降低导通电阻。采用沟槽栅结构来制造电压较低的功率MOSFET。
下图(c)显示了超结(SJ)结构。
该结构具有由交替的 p 型和 n 型半导体层组成的漂移区。该工艺克服了传统功率MOSFET使用的垂直硅工艺的固有局限性，并提供极低的导通电阻。与传统功率MOSFET相比，超级结工艺在VDSS（最大漏源电压）之间的权衡方面提供了显着改进。 ）和 Ron∙A（每个特定区域的标准化通态电阻），因此有助于显着降低传导损耗。


功率MOSFET结构
功率MOSFET的内部结构及电气符号如图1所示；在其传导过程中，只有一个极性载流子（多子体）参与传导，是单极晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构不同。小功率MOS管是横向导电器件。功率MOSFET大多采用垂直导电结构，又称VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压、耐电流能力。


功率MOSFET的内部结构及电气符号
根据垂直导电结构的不同，分为采用V型槽垂直导电双扩散MOS结构的VVMOSFET和VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
功率MOSFET为多元件集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用六角形单元；SIEMENS（西门子）的SIPMOSFET采用平方单位；摩托罗拉(Motorola)的TMOS采用矩形单元，以“产品”的形式排列。
2.2 功率MOSFET的工作原理
截止时间：漏极源极与正电源、零源极之间的栅极电压。P基极和N漂移区之间形成的PN结J1反向偏置，漏源之间没有电流流过。
导通：正电压UGS在栅源极之间，与栅极绝缘，因此不会有栅极电流流过。但栅极的正电压将下方P区的空穴推开，将P区的少数电子吸引到栅极下方的P面。
当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下方P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反向形成N型，成为反向层。反向层形成N沟道，使PN结J1消失，漏电和源极导通。
三、功率MOSFET的基本特性3.1 静态特性
静态特性的传输特性和输出特性如图所示。(a)为传输特性(b)为输出特性


功率MOSFET的静态特性
漏电流ID与栅极电压UGS之间的关系称为MOSFET的传输特性。当ID较大时，ID与UGS近似呈线性关系，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
MOSFET的漏伏安特性（输出特性）：截止区（对应GTR的截止区）；饱和区（对应GTR的放大区）；非饱和区（对应GTR的饱和区）。功率MOSFET工作在开关​​状态，即截止区和不饱和区之间的转换。功率MOSFET的漏极之间有一个寄生二极管，当漏极源极接有反向电压时器件导通。功率MOSFET的导通电阻具有正温度系数，有利于并联器件时均流。
3.2 动态特性
功率MOSFET动态特性的测试电路及开关处理波形如图所示。(a)为测试电路，(b)为开关处理波形。


动态特性 功率特性
开通过程为：开通延迟时间TD(on)-向上前进时间到uGS=UT与启动iD之间的时间间隔。
上升时间tr-uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区栅极压力UGSP的时间。
iD 的稳态值由漏极电源电压 UE 和漏极负载电阻决定。UGSP的大小与iD的稳态值有关。当UGS达到UGSP时，在up下继续上升，直到达到稳定状态，但iD没有变化。
开启时间为ton——开启延迟时间和上升时间之和。
关断延迟时间TD(off)-up下降到零，Cin经过Rs和RG放电，uGS指数下降到UGSP，iD开始下降到零。
下降时间TF-uGS从UGSP减小，并且iD减小到uGS。
关闭时间toff——关闭延迟时间和下降时间。
3.3 MOSFET的开关速度
MOSFET的开关速度与Cin的充放电有很大关系。用户不能减小“Cin”，但可以减小驱动电路的内阻Rs，以减小时间常数，加快开关速度。MOSFET仅依靠多子导通，不存在小子存储效应，因此关断过程非常快，开关时间在10～100ns之间，即可达到工作频率。100kHz以上是主要电力电子器件中最高的。
现场控制设备是静态的，几乎没有输入电流。但在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，仍然需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需的驱动功率越大。
3.4 如何提高功率MOSFET的动态性能
除了器件的电压、电流和频率外，应用中还必须对器件进行保护，使器件在瞬态变化中不被损坏。当然，晶闸管是两个双极型晶体管的组合，加上大面积带来的大电容，所以它的dv/dt能力比较脆弱。对于di/dt来说，仍然存在传导面积扩大的问题，因此也带来了相当严格的限制。
功率MOSFET的情况则截然不同。其dv/dt和di/dt的能力通常是通过每纳秒的能力来估计的，而不是每微秒的能力。然而，它在动态性能方面也存在局限性。这些可以从功率MOSFET的基本结构来理解。
下图是功率MOSFET的结构和等效电路。除了器件几乎每个部分都存在电容之外，我们还必须考虑 MOSFET 与二极管并联。同时，从某种角度来看，它仍然存在寄生晶体管。（与IGBT一样也是寄生晶闸管）。这些方面是研究MOSFET动态特性非常重要的因素。


功率MOSFET的结构及等效电路
IV 比较双极功率晶体管 (BPT) 和功率 Mosfet
  • 驱动电路
双极性：驱动条件难以确定，因为开关时间随驱动电流条件而变化。此外，驱动电路的功率损耗也很大。
功率MOSFET：用于功率MOSFET电压控制的驱动电路比双极电阻器更简单，并且功率损耗更低。
  • 通态电压
双极：即使是高压双极功率晶体管也具有非常低的导通电压，并且通常具有负温度系数。
功率MOSFET：低压功率MOSFET 具有极低的通态电压。高压器件的通态电压稍高。功率MOSFET具有正温度系数，有利于多个器件并联。
  • 切换时间
双极型：由于其结构，双极型晶体管具有存储时间 tstg，因此比 MOSFET 具有更长的开关时间。
功率MOSFET：功率MOSFET 比双极功率晶体管快得多。功率MOSFET没有存储时间，受环境影响较小
温度。
  • 温度稳定性
双相：需要一定程度的小心，因为温度升高会导致 hFE 增加而 VBE 减少。
功率MOSFET：各种特性表现出出色的温度稳定性。
5. 击穿电压（集电极-发射极、漏极-源极）
双极：双极功率晶体管通常与基极和发射极之间的反向电流一起使用。有时，VCES 和 VCEX (VCBO) 都会被评级。
功率Mosfet：除了在反向栅极偏压条件下工作的沟槽MOSFET（在此期间耐压受VDSX限制）。
V 功率MOSFET的选择标准
如何根据制造商的手册表选择符合您需求的产品？可采取以下四个步骤来选择合适的 MOSFET。
  • 渠道选择
选择正确器件的第一步是决定是 N 沟道还是 P 沟道 MOSFET。用于典型的电源应用。当 MOSFET 接地且负载连接到主线电压时，MOSFET 形成低压侧开关。在低压侧开通时，应采用N沟道MOSFET，这是出于闭合或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线和负载接地时，使用高压侧开关。通常这种拓扑采用P沟道MOSFET，这也是出于电压驱动的考虑。
  • 电压和电流
额定电压越大，设备的成本越高。根据实践经验，额定电压应大于干线电压或母线电压。只有这样才能提供足够的保护，保证MOSFET不会失效。对于MOSFET的选择，需要确定漏极到源极之间可能采取的最大电位电压，即最大VDS要考虑的其他安全因素。设计工程师包括由开关电子设备（例如电机或变压器）引起的电压瞬变。
不同应用场合的额定电压也不同；通常，便携式设备为20V，FPGA电源为20~30V，85~220VAC应用为450~600V。在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，电流连续流过器件。脉冲尖峰是指大量浪涌（或尖峰电流）流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，就需要直接选择能够承受最大电流的器件。
  • 传导损耗的计算
MOSFET器件的功率损耗可以通过Iload2 * RDS(ON)来计算。由于导通电阻随温度变化，功耗也会成比例变化。对于便携式设计，更容易使用较低的电压，但对于工业设计，可以采用较高的电压。请注意，RDS（ON）的电阻会随着电流的增加而略有增加。RDS(ON)电阻的各种电气参数可以在制造商提供的技术数据表中找到。
  • 计算系统的散热要求
设计者必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议使用最坏情况的计算结果，因为该结果提供了更大的安全边际，以确保系统不会出现故障。MOSFET表上还有一些测量数据，例如半导体结与环境之间的热阻，以及最高结温。
开关损耗也是一个非常重要的指标。导通瞬间电压和电流的乘积相当大，这在一定程度上决定了器件的开关性能。但如果系统要求较高的开关性能，则可以选择栅极功率较小的QG MOSFET。
六、常见问题解答
1. 功率MOSFET的用途是什么？
功率 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是三端硅器件，通过向栅极施加信号来控制源极和漏极之间的电流传导来发挥作用。
2.MOSFET和功率MOSFET有什么区别？
两者之间最基本的区别在于，功率MOSFET的栅氧化层较厚，阈值电压高，可以承受高输入电压。而普通MOSFET的栅氧化层很薄，不能承受高电压，施加高电压时栅氧化层会损坏。
3.功率Mosfet如何工作？
MOSFET的工作原理。MOSFET器件的主要原理是能够控制源极和漏极之间的电压和电流。...当我们对正栅极电压施加排斥力时，氧化层下方的空穴会被基板向下推动。
4. 功率MOSFET有哪些类型？
功率MOSFET的主要类型
• 耗尽模式：常开。应用 VGS 会将其关闭。
• 增强模式：通常关闭。...
• N 沟道MOSFET：正电压和电流。
• P 沟道MOSFET：负电压和电流。
• 低压MOSFET：0 V 至200 V 的BVDSS。
• 高压MOSFET：BVDSS 大于200 V。
5. 功率MOSFET有哪些重要特性？
由于功率 MOSFET 主要用作功率开关，因此预计它们具有较低的传导和开关损耗。对于电源管理应用，传导损耗、耐用性和雪崩能力是重要的特性。
6. PMOS是功率MOSFET吗？
PMOS 使用 p 沟道 (+) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 来实现逻辑门和其他数字电路。PMOS 晶体管通过在 n 型晶体管体中创建反型层来工作。
7.功率Mosfet是什么意思？
功率 MOSFET 是一种特定类型的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，旨在处理高功率水平。... 功率电子器件中常用的功率 MOSFET 是由标准 MOSFET 改编而来，并于 20 世纪 70 年代投入商业应用。
8. MOSFET失效的原因是什么？
如果超过 MOSFET 的最大工作电压，它将进入雪崩击穿。...如果瞬态过电压中包含的能量高于额定雪崩能量水平，则 MOSFET 将失效。该设备最初出现短路故障，没有外部可见的迹象。
9. Mosfet会降低电压吗？
MOSFET：当栅极电压相对于阈值电压 Vth 较大时，从漏极到源极的压降与电流线性相关（对于 MOSFET 的小电压 << Vth），因此它的行为类似于电阻器。... BJT：集电极到发射极的电压降取决于电流，但不是线性的。
10. Mosfet 可以承受多大的电流？
现代 MOSFET 的电阻可以小于 10 毫欧。一点数学表明，该设备可以处理 10 安培的电流，并将 1 瓦特转化为废热（功率 = 电流 2 x 电阻）。由于许多 MOSFET 采用 TO-220 封装，因此在这种情况下不需要散热器。