功率MOS場效應(yīng)晶體管

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖1所示;其導(dǎo)通時只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率mos管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。功率MOSFET為多元集成結(jié)構(gòu)，如國際整流器公司(International Rectifier)的HEXFET采用了六邊形單元;西門子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形單元;摩托羅拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形單元按"品"字形排列。

截止:漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導(dǎo)電:在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子-電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面

當(dāng)UGS大于UT(開啟電壓或閾值電壓)時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。

功率MOS場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor--SIT)。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

功率MOS場效應(yīng)晶體管的種類:按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為;耗盡型;當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型;對于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖2所示。

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs

MOSFET的漏極伏安特性(輸出特性):截止區(qū)(對應(yīng)于GTR的截止區(qū));飽和區(qū)(對應(yīng)于GTR的放大區(qū));非飽和區(qū)(對應(yīng)于GTR的飽和區(qū))。電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

其測試電路和開關(guān)過程波形如圖3所示。

開通過程;開通延遲時間td(on) -up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段;

上升時間tr- uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段;

iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。

開通時間ton-開通延遲時間與上升時間之和。

關(guān)斷延遲時間td(off) -up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小為零的時間段。

下降時間tf- uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS

關(guān)斷時間toff-關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系，使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度，MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時間在10-100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。

場控器件靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

在器件應(yīng)用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應(yīng)用中如何保護(hù)器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當(dāng)然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問題，所以也帶來相當(dāng)嚴(yán)格的限制。

功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒(而不是每微秒)的能力來估量。但盡管如此，它也存在動態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。

圖4是功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個二極管。同時從某個角度看、它還存在一個寄生晶體管。(就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣)。這幾個方面，是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。

首先MOSFET結(jié)構(gòu)中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復(fù)雪崩能力來表達(dá)。當(dāng)反向di/dt很大時，二極管會承受一個速度非?？斓拿}沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結(jié)二極管來說，仔細(xì)研究其動態(tài)特性是相當(dāng)復(fù)雜的。它們和我們一般理解PN結(jié)正向時導(dǎo)通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當(dāng)電流迅速下降時，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復(fù)時間。PN結(jié)要求迅速導(dǎo)通時，也會有一段時間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復(fù)雜性。

功率MOSFET的設(shè)計過程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB盡量小。因為只有在漏極N區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區(qū)建立正偏的條件時，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動態(tài)條件下，因dv/dt通過相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時對功率MOSFET器件內(nèi)部的各個電容(它是dv/dt的通道)都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關(guān)的，這方面在應(yīng)用中應(yīng)給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應(yīng)的問題。

功率MOSFET場效應(yīng)管從驅(qū)動模式上看，屬于電壓型驅(qū)動控制元件，驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單，所需驅(qū)動功率很小。采用功率MOSFET場效應(yīng)作為開關(guān)電源中的功率開關(guān)，在啟動或穩(wěn)態(tài)工作條件下，功率MOSFET場效應(yīng)管的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。功率場效應(yīng)管與雙極型功率晶體管之間的特性比較如下:

1. 驅(qū)動方式:場效應(yīng)管是電壓驅(qū)動，電路設(shè)計比較簡單，驅(qū)動功率小;功率晶體管是電流驅(qū)動，設(shè)計較復(fù)雜，驅(qū)動條件選擇困難，驅(qū)動條件會影響開關(guān)速度。

2. 開關(guān)速度:場效應(yīng)管無少數(shù)載流子存儲效應(yīng)，溫度影響小，開關(guān)工作頻率可達(dá)150KHz以上;功率晶體管有少數(shù)載流子存儲時間限制其開關(guān)速度，工作頻率一般不超過50KHz。

3. 安全工作區(qū):功率場效應(yīng)管無二次擊穿，安全工作區(qū)寬;功率晶體管存在二次擊穿現(xiàn)象，限制了安全工作區(qū)。

4. 導(dǎo)體電壓:功率場效應(yīng)管屬于高電壓型，導(dǎo)通電壓較高，有正溫度系數(shù);功率晶體管無論耐電壓的高低，導(dǎo)體電壓均較低，具有負(fù)溫度系數(shù)。

5. 峰值電流:功率場效應(yīng)管在開關(guān)電源中用做開關(guān)時，在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時，峰值電流較低;而功率晶體管在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時，峰值電流較高。

6. 產(chǎn)品成本:功率場效應(yīng)管的成本略高;功率晶體管的成本稍低。

7. 熱擊穿效應(yīng):功率場效應(yīng)管無熱擊穿效應(yīng);功率晶體管有熱擊穿效應(yīng)。

8. 開關(guān)損耗:場效應(yīng)管的開關(guān)損耗很小;功率晶體管的開關(guān)損耗比較大。

小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?/p>

電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。

按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。

電力MOSFET的工作原理（N溝道增強(qiáng)型VDMOS）

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。

P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS

當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。

功率場效應(yīng)晶體管及其特性

一、 功率場效應(yīng)晶體管是電壓控制器件，在功率場效應(yīng)晶體管中較多采用的是V溝槽工藝，這種工藝生產(chǎn)地管稱為VMOS場效應(yīng)晶體管，它的柵極做成V型，有溝道短、耐壓能力強(qiáng)、跨導(dǎo)線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)點，故在功率應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)一種更好的叫TMOS管，它是在VMOS管基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，沒有V形槽，只形成了很短的導(dǎo)通溝槽。

二、 功率場效應(yīng)晶體管的基本參數(shù)及符號

1.極限參數(shù)和符號

(1) 漏源極間短路時，柵漏極間的耐壓VGDS

(2) 漏源極間開路時，柵漏極間的耐壓VGSO

(3) 柵源極在規(guī)定的偏壓下，漏源極間耐壓VDSX

(4) 擊穿電壓BVDS

(5) 柵極電流IG

(6) 最大漏電極耗散功率PD

(7) 溝道溫度TGH，存儲溫度TSTG

2.電氣特性參數(shù)和符號

(1) 柵極漏電電流IGSS

(2) 漏極電流IDSS

(3) 夾斷電壓VP

(4) 柵源極門檻極電壓VGS(th)

(5) 導(dǎo)通時的漏極電流ID(on)

(6) 輸入電容Ciss

(7) 反向傳輸電容Crss

(8) 導(dǎo)通時的漏源極間電阻RDS(on)

(9) 導(dǎo)通延時時間td(on)

(10)上升時間tr

(11)截止延時時間td(off)

(12)下降時間tf

這些參數(shù)反映了功率場效應(yīng)晶體管在開關(guān)工作狀態(tài)下的瞬間響應(yīng)特性，在功率場效應(yīng)晶體管用于電機(jī)控制等用途時特別有用。

利 用半導(dǎo)體的場效應(yīng)制作的功率晶體管。半導(dǎo)體的場效應(yīng)指通過垂直于半導(dǎo)體表面的外加電場，可以控制或改變靠近表面附近薄層內(nèi)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。功率場效應(yīng)晶體管元件符號如圖1所示。圖1中G、D、S分別代表其柵極、漏極和源極。功率MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)是最重要的一種功率場效應(yīng)晶體管,除此之外還有MISFET、MESFET、JFET等幾種。功率MOSFET為功率集成器件，內(nèi)含數(shù)百乃至上萬個相互并聯(lián)的MOSFET單元。為提高其集成度和耐壓性,大都采用垂直結(jié)構(gòu)(即VMOS)，如VVMOS(V型槽結(jié)構(gòu))、VUMOS、SIPMOS等。 圖2顯示了一種SIPMOS(n溝道增強(qiáng)型功率MOSFET)的部分剖面結(jié)構(gòu)。其柵極用導(dǎo)電的多晶硅制成,柵極與半導(dǎo)體之間有一層二氧化硅薄膜,柵極與源極位于硅片的同一面，漏極則在背面。從總體上看，漏極電流垂直地流過硅片，漏極和源極間電壓也加在硅片的兩個面之間。 該器件屬于耗盡型n溝道的功率MOSFET，其源極和漏極之間有一n型導(dǎo)電溝道,改變柵極對源極的電壓，可以控制通過溝道的電流大小。耗盡型器件在其柵極電壓為零時也存在溝道，而增強(qiáng)型器件一定要施加?xùn)艠O電壓才有溝道出現(xiàn)。與n溝道器件對應(yīng),還有p溝道的功率MOSFET。 圖3為圖2所示SIPMOS的輸出特性。它表明了柵極的控制作用及不同柵極電壓下，漏極電流與漏極電壓之間的關(guān)系。圖3中，在非飽和區(qū)(Ⅰ),源極和漏極間相當(dāng)于一個小電阻;在亞閾值區(qū)(Ⅲ)則表現(xiàn)為開路;在飽和區(qū)(Ⅱ)，器件具有放大作用。

功率MOSFET屬于電壓型控制器件。它依靠多數(shù)載流子工作,因而具有許多優(yōu)點:能與集成電路直接相連;開關(guān)頻率可在數(shù)兆赫以上(可達(dá)100MHz)，比雙極型功率晶體管(GTR)至少高10倍;導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù),器件不易發(fā)生二次擊穿,易于并聯(lián)工作。與GTR相比，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻較大，電流密度不易提高，在100kHz以下頻率工作時,其功率損耗高于GTR。此外，由于導(dǎo)電溝道很窄(微米級),單元尺寸精細(xì)，其制作也較GTR困難。在80年代中期,功率MOSFET的容量還不大(有100A/60V，75A/100V，5A/1000V等幾種)。

功率MOSFET是70年代末開始應(yīng)用的新型電力電子器件，適合于數(shù)千瓦以下的電力電子裝置，能顯著縮小裝置的體積并提高其性能，預(yù)期將逐步取代同容量的 GTR。功率MOSFET的發(fā)展趨勢是提高容量，普及應(yīng)用，與其他器件結(jié)合構(gòu)成復(fù)合管，將多個元件制成組件和模塊，進(jìn)而與控制線路集成在一個模塊中(這將會更新電力電子線路的概念)。此外，隨著頻率的進(jìn)一步提高，將出現(xiàn)能工作在微波領(lǐng)域的大容量功率MOSFET。