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MOSFET基础

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MOSFET基础对mosfet基础知识进行详细阐述

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AN-9010

MOSFET 基础

区增大的原因是栅极和漏极的反向偏压V_DG(=V_GS+V_DS)比栅

极和源极之间的偏压V_GS更高。

概述

由于作为电源应用开关器件的双极性功率晶体管(BPT)

具有几项劣势，因此开发了功率金属氧化物半导体场

效应晶体管(MOSFET)。功率MOSFET用于开关电源(SMPS)

、计算机外设、汽车和电机控制等应用。持续不断的研

究已使其特性得到改进，从而能取代BJT。本应用指南

大致说明了功率MOSFET并简要介绍了某些飞兆产品的规

格。

Drain

V_DS

Gate

公司历史

场效应晶体管(FET)背后的理论自20世纪二三十年代开

始就广为人知，20年后双极结型晶体管才被发明出来。

当时，美国的J.E. Lilienfeld建议了一种晶体管模型

，其每一侧都有两个金属触点，半导体顶部有一块金属

板（铝制）。半导体表面的电场由金属板供应的电压形

成，从而能够控制金属触点间的电流。这就是FET的初

始概念。由于缺乏合适的半导体材料并且技术不成熟，

因此开发速度很慢。William Shockely于1952年引入了

结型场效应晶体管(JFET)。Dacey和Ross在1953年对其

作出了改进。在JFET中，Lilienfeld提出的金属场被P-

N结取代，金属触点被称为源极和漏极，场效应电极被

称为栅极。对小信号MOSFET的研究持续进行着，但在功

率MOSFET设计方面并无任何重大改进，直到20世纪70年

代才引入了新产品。

Source

(a) V_GS（栅极至源极电压）未提供

Drain

Depletion

region

V_DS

Gate

V_GS

1986年3月，由9人组成的飞兆公司开始研究功率MOSFET

。20世纪90年代，飞兆使用平面技术开发了QFET®器件

，使用沟道技术开发了低压PowerTrench^®产品。

Source

(b) V_GS（栅极至源极电压）已提供

图 1. JFET的结构及其工作原理

1.2. 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)

1. FET

MOSFET有两种类型，分别为耗尽型和增强型，每种类型

都有N/P–沟道。耗尽型通常开启，工作原理类似JFET

（参。增强型通常关闭，这意味着漏极至源

极电流随栅极的电压上升而上升。如果栅极未提供电压

，则无电流流动。

1.1. 结型场效应晶体管(JFET)

有两种类型的JFET： N沟道型和P沟道型。两者均通过

供应给栅极的电压控制漏极至源极电流。

中所示，如果栅极未提供偏压，则电流会从漏极流向源

极。如果栅极提供偏压，耗尽区会开始增大并减少电流

(b)中所示。与源极耗尽区相比，漏极耗尽

Rev. 1.0.5 • 9/19/13

AN-9010

应用指南

Gate

2. MOSFET的结构

Source

Drain

2.1. 横向沟道设计

漏极、栅极和源极端子置于硅晶圆的表面。这非常适合

集成，但不适合获取高额定功率，因为源极和漏极之间

的距离必须足够大，才能实现更好的电压阻断能力。漏

极至源极电流与长度成反比。

2.2. 垂直沟道设计

V_DS

漏极和源极置于晶圆的相反两端。由于更多的空间可用

作源极，因此这适用于功率器件。由于源极和漏极之间

的长度减小，因此可增加漏极至源极额定电流，并通过

扩大外延层（漏极漂移区）提高电压阻断能力。

(a) V_GS栅极至源极电压未提供

V_GS

Gate

Source

Drain

1. VMOSFET 设计：该设计率先投入商业应用，其在栅

极区域有一个V形槽，所示。由于制

造的稳定性问题和V形槽尖端的高电场，VMOSFET被

DMOSFET取代。

Depletion

region

2. DMOSFET设计：具有双扩散结构，其中包含P基极区

域和N+ 源极区域，示。这是商业

上最成功的设计。

V_DS

3. UMOSFET设计：，该设计在栅极

区域有一个U形槽。与VMOSFET和DMOSFET相比，更高

的沟道密度减少了导通电阻。采用沟道蚀刻工艺的

UMOSFET设计于上世纪90年代投入商业应用。

(b) V_GS（栅极至源极电压）已提供

耗尽型MOSFET的结构及其工作原理

图 2.

G a t e

Source

D r a i n

S o u r c e

N⁺

Gate

P- body

N ^-epitaxial layer

V_{D S}

N⁺

(a) V_GS（栅极至源极电压）未提供

substrate

Drain

V_GS

(a) VMOSFET垂直

Gate

Source

Drain

Source

Gate

N⁺

Channel

P- body

N ^-epitaxial layer

V_DS

N⁺

substrate

(b) V_GS（栅极至源极电压）已提供

增强型MOSFET的结构及其工作原理

Drain

图 3.

(b) DMOSFET垂直

修订版 1.0.5 • 9/19/13

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