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AN-9010 仙童 MOSFET 基础.pdf

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www.fairchildsemi.com © 2000 飞兆 半导体 公司 www.fairchildsemi.com Rev. 1.0.5 • 9/19/13 AN-9010 MOSFET 基础 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。 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。 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。 1. FET 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。如图 1 (a) 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 ,如图 1 (b)中所示。与源极耗尽区相比,漏极耗尽 区增大的原因是栅极和漏极的反向偏压VDG (=VGS+VDS)比栅 极和源极之间的偏压VGS更高。 DS V DrainSource Gate N PP (a) VGS(栅极至源极电压)未提供 GS V DS V DrainSource Gate N PPDepletion region (b) VGS(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) 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 (参见图 2)。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(参见图 3)。 AN-9010 应用指南 © 2000 飞兆半导体公司 www.fairchildsemi.com 修订版 1.0.5 • 9/19/13 2 DS V SourceDrain Gate P N (a) VGS栅极至源极电压未提供 GS VDS V SourceDrainGate P N Depletion region(b) VGS(栅极至源极电压)已提供 图 2. 耗尽型MOSFET的结构及其工作原理 D S V S o u r c eD r a i nG a t e P N N (a) VGS(栅极至源极电压)未提供 GS VDS V Source DrainGate P N N Channel (b) VGS(栅极至源极电压)已提供 图 3. 增强型MOSFET的结构及其工作原理 2. MOSFET的结构 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 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。 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,如图 4 (a)中所示。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。 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,如图 4 (b)中所示。这是商业 上最成功的设计。 3. UMOSFET设计: 如图 4 (c)中所
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