第6章 电力场效应晶体管MOSFET

功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。

由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。

但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。

一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。

在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。

电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。

小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。

电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。

按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。

电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。

N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。

电气符号，如图1(b)所示。

电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。

当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。

如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。

UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。

二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。

1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。

特性曲线，如图2(b)所示。

场效应晶体管和mos管场效应晶体管和MOS管，这些名字听上去可真让人挠头，但其实它们就是电子世界里的小明星。

想象一下，电子产品里那些流动的电流，仿佛在舞动，场效应晶体管和MOS管就是在这个舞池里跳舞的舞者，真是个活力四射的场景。

你知道吗？场效应晶体管（FET）就像一把钥匙，能控制电流的流动，完全靠电场来“发号施令”。

就好比你想在家里开灯，只需要按下开关，电流就像小猫一样乖乖跑过来，瞬间照亮你的房间。

而MOS管，或者说金属氧化物半导体场效应晶体管，这个名字听上去就像个超级英雄的全名，其实它也是在控制电流，只不过方式有点不同。

它是通过在栅极上施加电压，来让电流在源极和漏极之间畅通无阻。

这个小家伙可是个节能大使，工作时耗电极少，真是环境保护的小能手。

想想吧，咱们平时用的手机、电脑，甚至是那些智能家居产品，背后都少不了MOS管的身影，真是个默默无闻的英雄呢。

你有没有发现它们在结构上也很有意思？场效应晶体管的结构就像一个简化版的三明治，夹着半导体材料，外面则是金属电极。

而MOS管呢，表面有一层薄薄的氧化层，这层氧化层就像是保护膜，既能保护内部，又能让电子们在里面畅游。

想想看，电子们在里面嬉戏，就像小孩子在游乐场里玩耍一样，活力十足，真是让人羡慕。

再说说它们的应用吧，场效应晶体管被广泛用在放大器和开关中。

比如说，在你家里的音响系统里，场效应晶体管可是个大功臣，让声音更加清晰动听。

而MOS管呢，常常被用在电源管理和数码电路中。

嘿，想象一下，如果没有它们，咱们的手机估计也不能这么快充电，生活肯定要慢半拍，真是不敢想象啊。

对了，有个小细节，场效应晶体管的输入阻抗可高达几百兆欧，这就意味着它几乎不会对信号源造成干扰，像个超级守护者，保护着信号的完整性。

而MOS管的开关速度快得吓人，能让电流迅速流动，就像一辆跑车，飞速而过，绝不拖沓。

想想看，这样的特性简直就是现代电子产品的“闪电侠”嘛！不过，不管是场效应晶体管还是MOS管，它们在使用上都有各自的“性格”。

电力场效应晶体管介绍电力场效应晶体管（Power MOSFET）是一种主要用于功率放大和开关控制的半导体器件。

它是MOS（金属氧化物半导体）结构的一种变体，通过调节栅极电压来控制电流的流动。

电力场效应晶体管具有低电阻、高开关速度和高工作频率等特点，因此被广泛应用于电子设备和电力系统中。

电力场效应晶体管的核心结构包括源极、漏极和栅极。

源极是电流的进入端，漏极是电流的输出端，栅极则用于控制电流的流动。

栅极和漏极之间通过一层绝缘层（通常是氧化铝）隔离，以防止电流的直接流动。

在工作时，通过调节栅极电压，可以改变电力场效应晶体管的导通状态，从而控制电流的大小。

电力场效应晶体管的特点之一是低电阻。

由于其结构的优化设计和材料的选择，电力场效应晶体管能够承受较大的电流而产生较小的电阻。

这使得它在功率放大和开关控制方面具有优势，能够更有效地传输电能。

同时，电力场效应晶体管还具有较低的导通电压损失，从而可以减少能量的消耗。

另一个重要特点是高开关速度。

电力场效应晶体管的栅极结构可以快速地响应控制信号，将其转化为对电流的精确控制。

这种快速的开关特性使得电力场效应晶体管能够在短时间内实现高频率的开关操作，适用于需要频繁开关的应用场景。

例如，在直流至交流变换器中，电力场效应晶体管可以高效地将直流电能转换为交流电能。

电力场效应晶体管还具有较高的工作频率。

由于其结构的优化和材料的选择，电力场效应晶体管能够在较高的频率下工作而不损失性能。

这使得电力场效应晶体管在高频电路和射频应用中得到广泛应用。

例如，在无线通信系统中，电力场效应晶体管可以用于功率放大器，提供稳定的信号放大功能。

电力场效应晶体管的应用范围非常广泛。

在电子设备中，电力场效应晶体管常用于功率放大器、开关电源、电机驱动和逆变器等电路中，提供高效的功率控制和转换功能。

在电力系统中，电力场效应晶体管可以用于电能负载控制、电机驱动和电力变换等领域。

此外，电力场效应晶体管还可以用于太阳能电池板的功率调节和电动汽车的电池管理系统等应用中。

电力mosfet工作原理
电力 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的
功率开关器件，其工作原理如下：
1. 结构，电力 MOSFET由源极（S）、漏极（D）和栅极（G）
组成。

源极和漏极之间有一个N型沟道，栅极上有一层绝缘层（氧
化层）和金属栅极。

2. 导通状态，当栅极与源极之间的电压为零或负电压时，栅极
与沟道之间的绝缘层会阻止电流流动，电力 MOSFET处于截止状态，不导电。

3. 开启状态，当栅极与源极之间施加正电压时，栅极与沟道之
间的绝缘层被击穿，形成一个导电通道，电流可以从漏极流向源极，电力 MOSFET进入导通状态。

4. 控制电压，通过改变栅极与源极之间的电压，可以控制电力MOSFET的导通与截止状态。

当栅极与源极之间施加适当的正电压时，电力 MOSFET导通，可以承载较大的电流；当栅极与源极之间施加
零电压或负电压时，电力 MOSFET截止，不导电。

5. 开关特性，电力 MOSFET具有良好的开关特性，其导通电阻很小，截止时的电阻很大，能够实现高效率的功率开关。

6. 控制方式，电力 MOSFET可以通过控制栅极电压的大小和施加的电压极性来控制其导通和截止状态。

常见的控制方式包括电压控制和电流控制。

总结起来，电力 MOSFET通过栅极电压的控制来调节其导通和截止状态，实现功率开关功能。

它具有低导通电阻、高开关速度和可靠性等特点，在电力电子、电源管理、电机驱动等领域得到广泛应用。

电力场效应晶体管电力场效应晶体管（Power MOSFET）是一种常用的功率放大器，具有高效率、低损耗和容易控制等优点。

相较于其它晶体管类型，电力场效应晶体管能够承受高电压、高电流和高温度，因此在各种电气和电子应用中广泛使用。

电力场效应晶体管的基本结构是在P型基底上制造一个N型沟道，通过一个引脚连接门极和控制电路，这种结构可以使得晶体管在开关过程中具有高阻抗和低电压降。

晶体管内部的沟道电压可以由门电压调节，从而控制沟道是否导通或截止，实现放大或者开关控制等功能。

同时，它还具有与电晶体管（IGBT）类似的低开启电压，这使得其非常适合用于高频应用。

在功率变换应用中，电力场效应晶体管通常被设计成模块，在模块中加入了额外的冷却和电路保护措施，以确保其长期稳定和安全地运行。

晶体管模块的大小和安装方式根据应用的要求而有所不同，比如大功率电力设备使用的模块一般需要更大的散热面积和更好的环境保护。

电力场效应晶体管的一般参数包括最大耐压、最大电流、漏极电流、导通电阻和开启电压等，这些参数对于不同的应用有着不同的影响。

最大耐压标志着晶体管在开关过程中可以承受的最大电压，一般来说，最大耐压越高，晶体管在更高的电压下运行的能力就越好。

最大电流标志着晶体管在满载情况下所能承受的电流大小，这在控制和保护方面都极为重要。

漏极电流是指晶体管在关闭状态下的极小电流，越小则说明能耗越低。

导通电阻和开启电压则可以直接影响到晶体管输送功率的能力和性能。

由于电力场效应晶体管在功率放大和开关控制方面具有很多优点，且技术上已经得到广泛应用，因此未来晶体管的发展方向也将更加专注于提高其性能和可靠性，以满足更广泛的应用范围。

在系统集成和可靠性方面，当前的研究趋势也是为了优化晶体管的设计、制造和测试方法，以实现更高效的使用和更可靠的运行。

总之，电力场效应晶体管是一种应用广泛的高性能功率放大器和开关控制器，具有高效率、低损耗和易于控制等优点，对于各种电气和电子应用都具有重要意义。

电力场效应晶体管导通条件
电力场效应晶体管（power MOSFET）是一种常用的功率放大
器和开关器件，其导通条件受到栅极电压和源极至栅极的电压差的影响。

晶体管的导通条件与其工作状态有关，包括三种工作状态：截止、线性和饱和。

1. 截止状态：当栅极电压低于临界电压（Vth）时，电力场效
应晶体管处于截止状态，导通电流几乎为零，源极和漏极之间的电流无法通过。

截止状态下，Vgs（栅极至源极电压）小于Vth。

2. 线性状态：当栅极电压高于临界电压（Vth），但没有达到
阈值电压（Vgs > Vth），电力场效应晶体管处于线性状态，
此时源极和漏极之间的电流可以根据栅极电压的变化而调节。

在这种状态下，导通电流随栅极电压的增加而增加，但仍然受到限制。

3. 饱和状态：当栅极电压高于阈值电压（Vgs > Vth），电力
场效应晶体管进入饱和状态，导通电流达到最大值。

在饱和状态下，源极和漏极之间的电流几乎不受限制，晶体管可以提供较大的电流。

此时，栅极电压的增加不会对导通电流产生影响。

需要注意的是，晶体管的导通条件还受到其工作状态下栅极电流（Ig）和漏极电流（Id）之间的关系影响。

具体来说，当栅
极电压较低时，Ig较小，晶体管处于截止或线性状态；而当
栅极电压较高时，Ig相对较大，晶体管容易进入饱和状态。

总而言之，电力场效应晶体管的导通条件受到栅极电压和源极至栅极的电压差的影响，包括栅极电压的大小、阈值电压的存在以及工作状态下的栅极和漏极电流之间的关系。

Principle of MOSFET功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。

由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。

但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。

一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。

在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。

电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。

小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。

电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。

按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。

电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。

N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。

电气符号，如图1(b)所示。

电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。

当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。

如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。

U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。

二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。

{{分页}}1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。

功率场效应晶体管(MOSFET)原理功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。

由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。

但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。

一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。

在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。

电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。

小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。

电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。

按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。

电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。

N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。

电气符号，如图1(b)所示。

电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。

当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。

如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。

U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。

二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。

{{分页}}1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。

场效应晶体管的结构工作原理和输出特性场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）是一种用于放大和开关电路的电子元件。

它具有高输入阻抗、低输出阻抗和较高的增益，使其在电子设备和通信系统中得以广泛应用。

本文将详细介绍场效应晶体管的结构、工作原理和输出特性。

一、场效应晶体管的结构1. MOSFET：MOSFET是栅极金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的简称。

它由一个由绝缘层隔开的金属栅极、半导体材料（通常为硅）和源/漏极组成。

栅极与绝缘层之间的绝缘层可以是氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）。

MOSFET根据绝缘层材料和极性的不同，可分为N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）两种类型。

2. JFET：JFET是结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor）的简称。

它由一个P型或N型半导体形成的结和源/漏极组成。

P型JFET的源极和漏极为P型半导体，N型JFET的源极和漏极则为N型半导体。

JFET有两种常见的结构类型：沟道型和增强型，分别以n-沟道和p-沟道为特征。

二、场效应晶体管的工作原理1.MOSFET工作原理：(1) NMOS：当栅极电压为正，使NMOS栅极与源极之间的管道有效导通，称为“开通”（On）状态。

栅极电势改变PN结的反向电场，使电子进入N沟道并导致漏极电流增加。

当栅极电压为零或负值时，NMOS处于截止（Off）状态，电子无法流动，漏极电流接近于零。

(2)PMOS：当栅极电压为负值，使PMOS栅极与源极之间的管道导通，称为“开通”状态。

栅极电势改变PN结的反向电场，使空穴进入P沟道并导致漏极电流增加。

当栅极电压为零或正值时，PMOS处于截止状态，空穴无法流动，漏极电流接近于零。

2.JFET工作原理：(1)沟道型JFET：沟道型JFET的栅极电势改变了PN结的反向电场，调节了P沟道中的电子浓度。

习题6.1 MOS二极管1. 试画出V G＝V T时，n衬底的理想MOS二权管的能带图．2．试画出V G＝0时，p衬底的n+多晶硅栅极MOS二极管的能带图．3．试画出p衬底于平带条件下，n+多晶硅栅极MOS二极管的能带图．4．请画出于反型时，n衬底的理想MOS二权管的(a)电荷分布、(b)电场分布以及(c)电势分布．5．一N A＝5×1016 cm-3的金属-SiO2-Si电容器，请计算表面耗尽区的最大宽度．6．一N A＝5×1016cm-3以及d＝8nm的金属-SiO2-Si电容器，请计算C-V图中最小的电容值.*7．一理想-SiO2-Si MOS二极管的d＝5nm，N A＝1017cm-3，试找出使硅表面变为本征硅所需的外如偏压以及在界面处的电场强度．8．一理想-SiO2-Si MOS的d＝10nm，N A＝5×1016 cm-3，试找出使界面强反型所需的外加偏压以及在界面处的电场强度．*9．假设氧化层中的氧化层陷阱电荷Q ot有均匀的单位体积电荷密度体ρot（y）＝q×1017 cm-3，其中y为电荷所在的位置与金属-氧化层界面间的距离，氧化层的厚度为10nm，试计算因Q ot所造成的平带电压的变化．10．假设氧化层中的氧化层陷阱电荷Q ot，为薄电荷层，且其在y＝5nm处的面密度为5×1011 cm-3，氧化层的厚度为10nm。

试计算因Q ot所导致的平带电压变化。

11．假设氧化层中的氧化层陷阱电荷呈三角形分布，ρot (y)＝q×5×1023×y(cm-3)，氧化层的厚度为10nm。

试计算因Q ot所导致的平带电压变化．12．假设原先有一薄片可动离子层位于金属-SiO2的界面，在经过长时间高正电压应力及高温条件之后，可移动离子全部漂移至SiO2-Si的界面处，并造成平带电压有0.3V的变化．氧化层的厚度为10nm，请找出Q m的面密度．6.2 MOSFET基本原理13．假设V D《(V G—V T)，试推导式(34)与式(35)．*14．当漏权与栅极连接，且源极与衬底均接地的条件下，试推导MOSFET的I-V特性．能否由这些特性得出其阈值电压值?15．若一长沟道MOSFET的L＝1µm，Z＝10µm，N A＝5×1016 cm-3，µn＝800cm2／(V·s)，C。