MOSFET


(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)


金屬氧化半導體場效電晶體

　2003年03月13日

MOSFET 是FET主要形式之一。是在源極（Source）區與洩極（Drain）區的半導體基板表面覆蓋在一層薄薄的二氧化矽（SiO2）作為絕緣層，再把金屬沈積在氧化層上形成元件的閘極（Gate）而製成。MOSFET又可分為兩種：增強式（Enhancement）與空乏式（Depletion）。增強型（Enhancement，簡稱EMOS），是在MOSFET元件中增加通道載子，加強通道（洩極與源極之間的導通路徑）的傳導性。空乏型（Depletion，簡稱DMOS），則是在MOSFET元件中減少通道載子，降低通道的傳導性。

做為開關控制時，欲導通開關必須使加於閘-源及之偏壓大於其臨界值（Threshold Value）VGS>Vth且需持才能使洩極電流ID導通，而臨界電壓Vth大小主要由二氧化矽層厚度決定。

MOSFET導通電阻rDS(on)隨其耐壓容量之增加而增加，其關係可以表示為

其中BVDSS為耐壓容量，k為一常數與元件知己和形狀有關，因此耐壓較小之元件導通損失較小，反之則較大。一般MOSFET的產品的電壓容量最高可達1000V，但電流容量再低電壓額定時，約只能達到100A左右。雖然其可以5V信號驅動，但閘極電壓最高可達±20V。此外，由於MOSFET具有正溫度係數，因此非常適合並聯。以下為常見的MOSFET供應商，以供參考。

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功率型金屬氧化層場效電晶體(Power Metal Oxide Semiconductor Field Transistor ﹐Power MOSFET)是一種多載子導電的單極型電壓控制元件，它具以下特點:

開關速度快、高頻率性能好，輸入阻抗高、

驅動功率小、熱穩定性優良、無二次擊穿問題、

全工作區寬、工作線性度高等等，其最重要的優點就是能夠減少體積大小與重量，提供給設計者一種高速度、高功率、高電壓、與高增益的元件。在各類中小功率開關電路中應用極為廣泛。

MOSFET的電路符號及v-i特性曲線如下，此為N通道的MOSFET，當然亦有P通道的MOSFET，其電路符號中的箭頭方向剛好與N通道相反。MOSFET和BJT最大不同在於其為多數載子半導體元件，而BJT為少數載子半導體元件。


基本結構

Power MOSFET是一種功率集成元件，它由成千上萬個小型MOSFET並聯而成。下圖所示為N通道(N-channel)MOSFET的單元結構剖面示意圖。 圖中


*兩個n+ 分別作為該元件的源極(Source)和汲極(Drain)，分別引出源極(Source)和汲極(Drain)

*夾在n+(n-)區間的P區隔著一層SiO2的介質作為閘極(Gate)

Gate和兩個n+區和P區均為絕緣結構，因此MOS結構的FET又稱絕源閘極場效電晶體(insulation gate field effect transistor)。

由圖可知﹐功率型場效電晶體的基本結構仍為n+(n-)pn+ 形式﹐其中參雜較輕的n-區為漂移區﹐用以提高元件的耐壓能力。在這種元件中﹐汲極(drain)源極(source)之間有兩個背靠背的PN接面存在﹐在閘極(Gate)未加電壓信號之前﹐無論drain與source之間加正電壓或負電壓﹐該元件總處於阻斷狀態(off)。為使drain與source之間流過可控的電流﹐必須具備可控的導電通道(channel length)才能實現。

MOSFET靜態操作點的特性

MOSFET的輸出特性曲線有兩各顯著的操作區域，稱為”恆定電流阻區”與”恆定電流區”，當drain至source電壓增加時，drain電流亦會成比例地增加，直到drain至source電壓達到夾止(pinch off)電壓時，drain電流才會保持恆定之值。

當功率型MOSFET被當作開關做作用時，drain與source之間的電壓降會正比於drain電流；這也就是功率型MOSFET工作於恆定電阻區(constant resistance region)，且其動作狀態基本上就是一個電阻性元件，因此，功率型MOSFET在處於ON狀態時的電阻值RDS,on，此值乃為最重要的參數值，因在所給drain電流情況下，可決定其功率之損失大小。Drain電流開始產生是在臨界閘電壓(threshold gate voltage)供給以後，通常此電壓值是介於2V到4V之間。超過此臨界閘電壓後，Drain電流和Gate電壓之間的關係幾乎是相等的。

互導(transconductance) gfs 就可定義為Drain 電流對Gate電壓的變化率。

MOSFET的安全操作區(Safe Operating Area (SOA))

MOSFET提供了一個非常穩定的SOA，因為MOSFET再順向偏壓時，不需苦於二次崩潰所產生的效應，此直流與脈波的SOA優於BJT。逆偏期間的二次崩潰是不存在於功率型MOSFET中，要將MOSFET處於OFF狀態時，只需將Gate電壓轉換至0V即可。


MOSFET的直流與脈波SOA曲線(實線所示)。圖中亦示有等效的BJT SOA曲線。由圖中得知MOSFET元件的SOA特性曲線比較好