截止:漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电:在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面

当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示;其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司(International Rectifier)的HEXFET采用了六边形单元;西门子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形单元;摩托罗拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形单元按"品"字形排列。

功率MOS场效应晶体管的种类:按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为;耗尽型;当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型;对于N(P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

功率MOS场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称功率MOSFET(Power MOSFET)。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor--SIT)。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

其转移特性和输出特性如图2所示。

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs

MOSFET的漏极伏安特性(输出特性):截止区(对应于GTR的截止区);饱和区(对应于GTR的放大区);非饱和区(对应于GTR的饱和区)。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

其测试电路和开关过程波形如图3所示。

开通过程;开通延迟时间td(on) -up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段;

上升时间tr- uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段;

iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。

开通时间ton-开通延迟时间与上升时间之和。

关断延迟时间td(off) -up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。

下降时间tf- uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS

关断时间toff-关断延迟时间和下降时间之和。

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10-100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。

场控器件静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握在应用中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶闸管是两个双极型晶体管的组合，又加上因大面积带来的大电容，所以其dv/dt能力是较为脆弱的。对di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的限制。

功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒(而不是每微秒)的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以理解。

图4是功率MOSFET的结构和其相应的等效电路。除了器件的几乎每一部分存在电容以外，还必须考虑MOSFET还并联着一个二极管。同时从某个角度看、它还存在一个寄生晶体管。(就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样)。这几个方面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。

首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。

功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻RB尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因dv/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFET带来损坏。所以考虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容(它是dv/dt的通道)都必须予以注意。

瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视。对器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。

功率MOSFET场效应管从驱动模式上看，属于电压型驱动控制元件，驱动电路的设计比较简单，所需驱动功率很小。采用功率MOSFET场效应作为开关电源中的功率开关，在启动或稳态工作条件下，功率MOSFET场效应管的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。功率场效应管与双极型功率晶体管之间的特性比较如下:

1. 驱动方式:场效应管是电压驱动，电路设计比较简单，驱动功率小;功率晶体管是电流驱动，设计较复杂，驱动条件选择困难，驱动条件会影响开关速度。

2. 开关速度:场效应管无少数载流子存储效应，温度影响小，开关工作频率可达150KHz以上;功率晶体管有少数载流子存储时间限制其开关速度，工作频率一般不超过50KHz。

3. 安全工作区:功率场效应管无二次击穿，安全工作区宽;功率晶体管存在二次击穿现象，限制了安全工作区。

4. 导体电压:功率场效应管属于高电压型，导通电压较高，有正温度系数;功率晶体管无论耐电压的高低，导体电压均较低，具有负温度系数。

5. 峰值电流:功率场效应管在开关电源中用做开关时，在启动和稳态工作时，峰值电流较低;而功率晶体管在启动和稳态工作时，峰值电流较高。

6. 产品成本:功率场效应管的成本略高;功率晶体管的成本稍低。

7. 热击穿效应:功率场效应管无热击穿效应;功率晶体管有热击穿效应。

8. 开关损耗:场效应管的开关损耗很小;功率晶体管的开关损耗比较大。

小功率MOS管是横向导电器件。

电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。

按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。

电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）

截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压UGS

当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。

功率场效应晶体管及其特性

一、 功率场效应晶体管是电压控制器件，在功率场效应晶体管中较多采用的是V沟槽工艺，这种工艺生产地管称为VMOS场效应晶体管，它的栅极做成V型，有沟道短、耐压能力强、跨导线性好、开关速度快等优点，故在功率应用领域有着广泛的应用，出现一种更好的叫TMOS管，它是在VMOS管基础上改进而成的，没有V形槽，只形成了很短的导通沟槽。

二、 功率场效应晶体管的基本参数及符号

1.极限参数和符号

(1) 漏源极间短路时，栅漏极间的耐压VGDS

(2) 漏源极间开路时，栅漏极间的耐压VGSO

(3) 栅源极在规定的偏压下，漏源极间耐压VDSX

(4) 击穿电压BVDS

(5) 栅极电流IG

(6) 最大漏电极耗散功率PD

(7) 沟道温度TGH，存储温度TSTG

2.电气特性参数和符号

(1) 栅极漏电电流IGSS

(2) 漏极电流IDSS

(3) 夹断电压VP

(4) 栅源极门槛极电压VGS(th)

(5) 导通时的漏极电流ID(on)

(6) 输入电容Ciss

(7) 反向传输电容Crss

(8) 导通时的漏源极间电阻RDS(on)

(9) 导通延时时间td(on)

(10)上升时间tr

(11)截止延时时间td(off)

(12)下降时间tf

这些参数反映了功率场效应晶体管在开关工作状态下的瞬间响应特性，在功率场效应晶体管用于电机控制等用途时特别有用。

利 用半导体的场效应制作的功率晶体管。半导体的场效应指通过垂直于半导体表面的外加电场，可以控制或改变靠近表面附近薄层内半导体的导电特性。功率场效应晶体管元件符号如图1所示。图1中G、D、S分别代表其栅极、漏极和源极。功率MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)是最重要的一种功率场效应晶体管,除此之外还有MISFET、MESFET、JFET等几种。功率MOSFET为功率集成器件，内含数百乃至上万个相互并联的MOSFET单元。为提高其集成度和耐压性,大都采用垂直结构(即VMOS)，如VVMOS(V型槽结构)、VUMOS、SIPMOS等。 图2显示了一种SIPMOS(n沟道增强型功率MOSFET)的部分剖面结构。其栅极用导电的多晶硅制成,栅极与半导体之间有一层二氧化硅薄膜,栅极与源极位于硅片的同一面，漏极则在背面。从总体上看，漏极电流垂直地流过硅片，漏极和源极间电压也加在硅片的两个面之间。 该器件属于耗尽型n沟道的功率MOSFET，其源极和漏极之间有一n型导电沟道,改变栅极对源极的电压，可以控制通过沟道的电流大小。耗尽型器件在其栅极电压为零时也存在沟道，而增强型器件一定要施加栅极电压才有沟道出现。与n沟道器件对应,还有p沟道的功率MOSFET。 图3为图2所示SIPMOS的输出特性。它表明了栅极的控制作用及不同栅极电压下，漏极电流与漏极电压之间的关系。图3中，在非饱和区(Ⅰ),源极和漏极间相当于一个小电阻;在亚阈值区(Ⅲ)则表现为开路;在饱和区(Ⅱ)，器件具有放大作用。

功率MOSFET属于电压型控制器件。它依靠多数载流子工作,因而具有许多优点:能与集成电路直接相连;开关频率可在数兆赫以上(可达100MHz)，比双极型功率晶体管(GTR)至少高10倍;导通电阻具有正温度系数,器件不易发生二次击穿,易于并联工作。与GTR相比，功率MOSFET的导通电阻较大，电流密度不易提高，在100kHz以下频率工作时,其功率损耗高于GTR。此外，由于导电沟道很窄(微米级),单元尺寸精细，其制作也较GTR困难。在80年代中期,功率MOSFET的容量还不大(有100A/60V，75A/100V，5A/1000V等几种)。

功率MOSFET是70年代末开始应用的新型电力电子器件，适合于数千瓦以下的电力电子装置，能显著缩小装置的体积并提高其性能，预期将逐步取代同容量的 GTR。功率MOSFET的发展趋势是提高容量，普及应用，与其他器件结合构成复合管，将多个元件制成组件和模块，进而与控制线路集成在一个模块中(这将会更新电力电子线路的概念)。此外，随着频率的进一步提高，将出现能工作在微波领域的大容量功率MOSFET。