功率MOSFET管的阈值电压VGS(th),在数据表中定义的测量条件为:VDS=VGS,ID=250uA,对应测试电路如图1所示。
功率MOSFET管的栅极与源极之间加上正向驱动电压VGS,在栅极表面形成正电场,栅极氧化层下面P区的电子就被吸引到P区的上表面;VGS电压增加,P区内部更多电子被吸引到P区的上表面;正常条件下,P区多子是空穴,少子是自由电子,源极(外加电源负端)的自由电子无法从N型源极通过栅极氧化层下面P区流向N型漏极(外加电源正端),也就是电流无法从漏极通过栅极氧化层下面P区流向源极,如图2所示。
VGS电压继续增加,栅极氧化层下面P区表面的薄层区域,自由电子的浓度继续增加,自由电子的浓度增加到等于于空穴的浓度,如图3所示。
VGS电压进一步增加,栅极氧化层下面P区表面的薄层区域,自由电子的浓度大于空穴的浓度,那么,在这个表面的薄层区域,从P型变成N型,就形成反型层,这样,源极自由电子可以从N型源极通过栅极下面薄层反型层N型区流向N型漏极,电流从漏极通过栅极氧化层下面的反型层区流向源极,也就是在P区上表面的薄层区域形成电流导通(导电)沟道,如图4、图5所示。
从半导体物理学定义,阈值电压VGS(th)应该为:在栅极氧化层下面、P阱区的上表面薄层区域,自由电子的浓度等于空穴的浓度时,对应的栅极驱动电压。理论上,功率MOSFET管内部P阱区上表面薄层区域自由电子的浓度等于空穴的浓度时,VGS=VGS(th),达到反型层形成的临界条件,器件要开始导通,此时,漏极电流仍然为0。
但是,从明确的物理学定义,VGS从0开始增加、增加到功率MOSFET管内部P阱区上表面薄层区域自由电子的浓度等于空穴的浓度,漏极电流ID一直为0,这样,无法确定,P阱区上表面薄层区域自由电子的浓度等于空穴的浓度时,VGS所对应的驱动电压为多少,也就是无法确定阈值电压VGS(th)到底为多少?
功率MOSFET管是否导通,只能通过是否有漏极电流来判断。
反型层的形成一个渐变的过程,只要形成漏极电流ID,且ID且足够小、小到接近于0(可以进行度量,但不是0),此时,在栅极氧化层下面P阱区的上表面薄层区域已经形成反型层(电流导通沟道),那么,对应的VGS所加驱动电压也就接近于阈值电压VGS(th)。 因此,必须定义一个非常小的漏极电流ID,在此条件下,测量出来的VGS驱动电压即为阈值电压VGS(th)。
ID到底设置为多少?可以是1uA、50uA、100uA,或其他值,行业内标准通常定义阈值电压VGS(th)测量电流条件为:ID=250uA。但是,不同厂家、不同型号的功率MOSFET管,测量阈值电压VGS(th)时,还是会使用不同条件,例如:ID=50uA,ID=100uA,ID=1mA,ID=5mA,等等,特别是在栅极与源极之间增加ESD保护的功率MOSFET管,以及使用辐照或质子注入优化体寄生二极管性能的功率MOSFET管,具体原因大家可以思考。
如果忽略其它部分,主要由氧化层承担栅极电压,那么,阈值电压VGS(th)公式为:
其中,QS为沟道耗尽区电荷,Cox为单位面积栅极氧化层电容,Cox与栅极氧化层厚度成反比;eSi为硅材料的介电常数,k为玻耳兹曼常数,T为温度,NA为P型参杂浓度(受主参杂浓度),ni 为本征载流子浓度。
从上述公式,可以得到:阈值电压VGS(th)值随栅极氧化层厚度、P型参杂浓度增加而增大。另外,本征载流子浓度ni 随温度增加而增加,那么,阈值电压VGS(th)值就会随温度增加而降低, 因此,其为负温度系数。
图1中功率MOSFET管结构的电流导通(导电)沟道为N型导电沟道,即:反型层从P型变为N型,因此,称为N沟道功率MOSFET管;反之,则称为P沟道功率MOSFET管。N沟道功率MOSFET管导电的载流子为自由电子,P沟道功率MOSFET管导电的载流子为空穴,它们内部只有一种载流子导电,所以,功率MOSFET管是单极型导电器件。