2.3 MOS场效应晶体管（MOSFET）

2.3.1 MOSFET的特点

电力MOS场效应晶体管简称电力MOSFET（P-MOSFET），是一种单极型电压控制半导体器件，其特点是栅极静态内阻极高（10⁹Ω）、驱动功率很小、开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等。开关频率可高达500kHz，特别适合高频化的电力电子装置，但由于MOSFET电流容量小、耐压低，一般只适用小功率的电力电子装置。

2.3.2 MOSFET的结构与工作原理

1.MOSFET的结构

MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。图2-15给出了具有垂直导电双扩散（VD）MOS结构的VD-MOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）单元的结构图及电路图形符号。一个MOSFET实际上是由许多小单元并联组成。

2.MOSFET的工作原理

如图2-15所示，MOSFET的3个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN结反偏，漏源极之间无电流通过。如在栅源极间加一正电压U_GS，则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开，而将电子吸引到栅极下的P基区的表面，当U_GS大于开启电压U_GS（th）时，栅极下P基区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，成为反型层，由反型层构成的N沟道使PN结消失，漏极和源极间开始导电。U_GS数值越大，P-MOSFET导电能力越强，I_D也就越大。

图2-15 MOSFET的结构及电路图形符号

a）结构 b）图形符号（N沟道） c）图形符号（P沟道）

2.3.3 MOSFET工作特性

1.静态特性

（1）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称为输出特性，如图2-16所示，可以分为3个区：可调电阻区Ⅰ、饱和区Ⅱ、击穿区Ⅲ。在Ⅰ区内，固定栅源电压U_GS，漏源电压U_DS从零上升过程中，漏极电流I_D首先线性增长，接近饱和区时，I_D变化减缓，而后开始进入饱和。达到饱和区Ⅱ后，此后虽U_DS增大，但I_D维持恒定。从这个区域中曲线可以看出，在同样的漏源电压U_DS下，U_GS越高，漏极电流I_D也越大。当U_DS过大时，器件会出现击穿现象，进入击穿区Ⅲ。

（2）转移特性。P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存储效应，因此开关时间很短，漏极电流I_D与栅源极电压U_GS反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图2-17所示。当I_D较大时，该特性基本上为线性。曲线的斜率g_m=ΔI_D/ΔU_GS称为跨导，表示P-MOSFET栅源电压对漏极电流的控制能力，与BJT的电流增益相似，会出现导电沟道，产生栅极电流I_D。

图2-16 漏极伏安特性

图2-17 转移特性

2.开关特性

开关时间典型值为20ns，而影响开关速度的主要是器件极间电容，图2-18为器件极间电容的等效电路，从中可以求得器件输入电容为C_in=C_GS+C_GD。正是C_in在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。

P_-MOSFET的开关过程如图2-19所示，其中U_P为驱动电压信号，U_GS为栅极电压，I_D为漏极电流。当U_P信号到来时，输入电容C_in有一充电过程，使栅极电压U_GS只能按指数规律上升。当U_GS达到开启电压U_GS（th）时，开始形成导电沟道，出现漏极电流I_D，这段时间t_d（on）为开通延迟时间。此后I_D随U_GS上升，直至接近饱和区，漏极电流从零上升至此所需时间t_r为上升时间。这样，P-MOSFET的开通时间为t_on=t_d（on）+t_r。当U_P信号下降为零后，栅极输入电容C_in上储存的电荷将通过信号源进行放电，使栅极电压U_GS按指数下降，到U_P结束后的t_d（off）时刻，I_D电流才开始减小，故t_d（off）称为关断延迟时间。以后C_in继续放电，U_GS继续下降，I_D亦继续下降。到U_GS<U_GS（th）时，导电沟道消失，I_D=0。漏极电流从稳定值下降到零所需时间t_f称为下降时间，这样P-MOSFET的关断时间应为t_off=t_d（off）+t_f。从以上分析看出，要提高器件开关速度，需要减小t_d（on）、t_r、t_d（off）、t_f、，在器件极间电容已存在的条件下，需要减小栅极驱动电源内阻，以提高C_in的充、放电速度，同时驱动电路还要能向栅极输入电容C_in提供足够的充、放电功率。

图2-18 输入电容等效电路

图2-19 开关特性

2.3.4 主要参数与安全工作区

1.主要参数

（1）漏极电压U_DS。漏极电压U_DS为P-MOSFET的电压定额。

（2）电流定额I_D。电流定额I_D为漏极直流电流，I_DM为漏极脉冲电流幅值。

（3）栅源电压U_GS。栅源间加的电压不能大于此电压，否则将击穿器件。

2.安全工作区

P-MOSFET是多数载流子工作的器件，器件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升高，通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的安全工作区。P-MOSFET的正向偏置安全工作区由四条边界包围框成，如图2-20所示。其中Ⅰ为漏源通态电阻限制线；Ⅱ为最大漏极电流I_DM限制线；Ⅲ为最大功耗限制线；Ⅳ为最大漏源电压限制线。

图2-20 P-MOSFET正向 偏置安全工作区