扫码关注
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。
图1 VGS(th)测试电路功率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。
图2 VGS加驱动电压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。
图3 VGS驱动电压增加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。
(a) P区表面的薄层区域载流子浓度
(b) P区表面的薄层区域等效载流子浓度
(c) P区表面的薄层区域反型层图3 VGS驱动电压继续增加，反型层形成
图4 漏极到源极电流通路形成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。
