新能源汽车需求引爆核心元件—MOSFET

MOSFET属于场效应管中的“金属-氧化物-半导体型”，简称金氧半场效晶体管，英文全称是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，一般称MOS管。是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。

实际上场效应管分为结型和绝缘栅两种不同的结构。场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。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。MOSFET功率场效应晶体管，大多数用作开关和驱动器，工作于开关状态，耐压从几十伏到上千伏，工作电流可达几安培到几十安。功率MOSFET基本上都是增强型MOSFET，它具有优良的开关特性。

| MOSFET的分类

按导电沟道类型可分为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。

图1 N沟道增强型MOSFET结构和电气符号

图2 N沟道耗尽型MOSFET结构和电气符号

图3 P沟道增强型MOSFET结构和电气符号

图4 P沟道耗尽型MOSFET结构和电气符号

| MOS管结构原理图解

N沟道增强型 (以N沟道增强型为例)MOS管结构如图5所示。它以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区，并引入两个电极分别为源极S(Source)和漏极D(Drain),半导体上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2上面制作一层金属铝Al，引出电极，作为栅极G(Gate)。通常将衬底与源极接在一起使用。这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。当栅-源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

| MOS管工作原理详解

当栅-源之间不加电压时即VGS=0时，源漏之间是两只背向的PN结。不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电沟道。

当UDS=0且UGS>0时，由于SiO2的存在，栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷．它们排斥P型衬底靠近 SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。

当UGS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，如图7所示。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)/VT。UGS电压越大，形成的反层型越厚，导电沟道电阻越小，如下图

当VGS>VT且VDS较小时，基本MOS结构的示意图如图8-1所示。图中反型沟道层的厚度定性地表明了相对电荷密度，这时的相对电荷密度在沟道长度方向上为一常数。相应的ID-VDS特性曲线，如下图

当VGS>VT且VDS增大时，由于漏电压增大，漏端附近的氧化层压降减小，这意味着漏端附近的反型层电荷密度也将减小。漏端的沟道电导减小，从而ID-VDS特性曲线的斜率减小，如下图

当VGS>VT且VDS增大到漏端的氧化层压降等于VT时，漏极处的反型层电荷密度为零，此时漏极处的电导为零，这意味着ID-VDS的特性曲线的斜率为零,称为预夹断，如下图

当VGS>VT且VDS>VDS(sat)时，沟道中反型电荷为零的点移向源端。如果UDS继续增大，夹断区随之延长，如图所示，而且UDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，漏电流ID为一常数，这种情形在ID-VDS对应于饱和区(恒流区)，如图8-4所示。

| 在新能源电动车中的应用

MOSFET具备控制功率小、开关速度快的特点，广泛应用于低中高压的电路中，是功率半导体的基础器件。在如今兴起的新能源电动车中，硅基MOSFET是不可或缺的存在。MOSFET是汽车电子中的核心元件，汽车引擎、驱动系统中的变速箱控制器以及制动、转向控制，都离不开MOSFET。

其实在进入新能源汽车时代前，MOSFET已应用于燃油车中涉及电动功能的区域，而在传统的燃油车中辅助刹车、助力转向和座椅等控制系统，单车用量约100个。

随汽车电动化开启，MOSFET需求激增。新能源汽车以电制动的方式使得中高压MOEFET作为DC-DC、OBC等电源重要组成部分应用于汽车动力域以完成电能的转换与传输，单车用量提升至200个以上；此外，随着汽车智能化发展，ADAS、安全、信息娱乐等功能需MOSFET作为电能转换的基础器件支撑数字、模拟等芯片完成功能实现，使得中高端车型单车用量可增至400个以上。

来源：电子产品世界