電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)

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(chēng)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(shí)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(wú)電流流過(guò)。

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS

當(dāng)UGS大于UT時(shí)，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 。

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流

輸入阻抗高

驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。

開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。

熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR。

電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 。

(1)靜態(tài)特性

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。

ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線(xiàn)性，曲線(xiàn)的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。

(2)MOSFET的漏極伏安特性（即輸出特性）：

截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）

飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）

非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)）

工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)導(dǎo)通。

通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

(3)動(dòng)態(tài)特性

開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

上升時(shí)間tr

開(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和

關(guān)斷過(guò)程

關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

下降時(shí)間tf

關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。

可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。

不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。

開(kāi)關(guān)時(shí)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(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。

開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

電力MOSFET的主要參數(shù)

除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(1)漏極電壓UDS——電力MOSFET電壓定額

(2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額

(3)柵源電壓UGS—— UGS?>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。

(4)極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS

另一種介紹說(shuō)明：

場(chǎng)效應(yīng)管（Fjeld Effect Transistor簡(jiǎn)稱(chēng)FET ）是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體中電流的一種半導(dǎo)體器件，故因此而得名。場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導(dǎo)電，故又稱(chēng)為單極型晶體管。與雙極型晶體三極管相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、功耗小、制造工藝簡(jiǎn)單和便于集成化等優(yōu)點(diǎn)。

場(chǎng)效應(yīng)管有兩大類(lèi)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET，后者性能更為優(yōu)越，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。圖Z0121 為場(chǎng)效應(yīng)管的類(lèi)型及圖形、符號(hào)。

一、結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

圖 Z0122為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖和它的圖形、符號(hào)。它是在同一塊N型硅片的兩側(cè)分別制作摻雜濃度較高的P型區(qū)（用P 表示），形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的PN結(jié)，將兩個(gè)P區(qū)的引出線(xiàn)連在一起作為一個(gè)電極，稱(chēng)為柵極（g），在N型硅片兩端各引出一個(gè)電極，分別稱(chēng)為源極（s）和漏極（d）。在形成PN結(jié)過(guò)程中，由于P 區(qū)是重?fù)诫s區(qū)，所以N一區(qū)側(cè)的空間電荷層寬度遠(yuǎn)大

二、工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理完全相同，只是偏置電壓的極性和載流子的類(lèi)型不同而已。下面以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例來(lái)分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由于柵源間加反向電壓，所以?xún)蓚?cè)PN結(jié)均處于反向偏置，柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子-電子由源極出發(fā)，經(jīng)過(guò)溝道到達(dá)漏極形成漏極電流ID。

1．柵源電壓UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響（設(shè)UDS＝0）

在圖Z0123所示電路中，UGS ＜0，兩個(gè)PN結(jié)處于反向偏置，耗盡層有一定寬度，ID=0。若|UGS| 增大，耗盡層變寬，溝道被壓縮，截面積減小，溝道電阻增大；若|UGS| 減小，耗盡層變窄，溝道變寬，電阻減小。這表明UGS控制著漏源之間的導(dǎo)電溝道。當(dāng)UGS負(fù)值增加到某一數(shù)值VP時(shí)，兩邊耗盡層合攏，整個(gè)溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱(chēng)為夾斷電壓）此時(shí)，漏源之間的電阻趨于無(wú)窮大。管子處于截止?fàn)顟B(tài)，ID＝0。

2．漏源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的影響（設(shè)UGS＝0）

當(dāng)UGS＝0時(shí)，顯然ID＝0；當(dāng)UDS＞0且尚小對(duì)，P N結(jié)因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由于漏源之間的導(dǎo)電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞降，造成漏端電位高于源端電位，使近漏端PN結(jié)上的反向偏壓大于近源端，因而近漏端耗盡層寬度大于近源端。顯然，在UDS較小時(shí)，溝道呈現(xiàn)一定電阻，ID隨UDS成線(xiàn)性規(guī)律變化（如圖Z0124曲線(xiàn)OA段）；若UGS再繼續(xù)增大，耗盡層也隨之增寬，導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，尤其是近漏端更加明顯。

由于溝道電阻的增大，ID增長(zhǎng)變慢了（如圖曲線(xiàn)AB段），當(dāng)UDS增大到等于|VP|時(shí)，溝道在近漏端首先發(fā)生耗盡層相碰的現(xiàn)象。這種狀態(tài)稱(chēng)為預(yù)夾斷。這時(shí)管子并不截止，因?yàn)槁┰磧蓸O間的場(chǎng)強(qiáng)已足夠大，完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過(guò)去形成漏極飽和電流IDSS （這種情況如曲線(xiàn)B點(diǎn)）：當(dāng)UDS＞|VP|再增加時(shí)，耗盡層從近漏端開(kāi)始沿溝道加長(zhǎng)它的接觸部分，形成夾斷區(qū) 。

由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區(qū)上，使夾斷區(qū)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極，形成漏極電流。因?yàn)槲幢粖A斷的溝道上的電壓基本保持不變，于是向漏極方向漂移的電子也基本保持不變，管子呈恒流特性（如曲線(xiàn)BC段）。但是，如果再增加UDS達(dá)到BUDS時(shí)（BUDS稱(chēng)為擊穿電壓）進(jìn)入夾斷區(qū)的電子將被強(qiáng)電場(chǎng)加速而獲得很大的動(dòng)能，這些電子和夾斷區(qū)內(nèi)的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象（如曲線(xiàn)CD段）。

由此可見(jiàn)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用，是場(chǎng)效應(yīng)管具有放大作用的基礎(chǔ)。

三、特性曲線(xiàn)

1．輸出特性曲線(xiàn)

輸出特性曲線(xiàn)是柵源電壓UGS取不同定值時(shí)，漏極電流ID 隨漏源電壓UDS 變化的一簇關(guān)系曲線(xiàn)，如圖Z0124所示。由圖可知，各條曲線(xiàn)有共同的變化規(guī)律。UGS越負(fù)，曲線(xiàn)越向下移動(dòng)）這是因?yàn)閷?duì)于相同的UDS，UGS越負(fù)，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越窄，ID越小。

由圖還可看出，輸出特性可分為三個(gè)區(qū)域即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。

◆可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷以前的區(qū)域。其特點(diǎn)是，當(dāng)0＜UDS＜|VP|時(shí)，ID幾乎與UDS呈線(xiàn)性關(guān)系增長(zhǎng)，UGS愈負(fù)，曲線(xiàn)上升斜率愈小。在此區(qū)域內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管等效為一個(gè)受UGS控制的可變電阻。

◆恒流區(qū)：圖中兩條虛線(xiàn)之間的部分。其特點(diǎn)是，當(dāng)UDS＞|VP|時(shí)，ID幾乎不隨UDS變化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，兩者變量之間近乎成線(xiàn)性關(guān)系，所以該區(qū)域又稱(chēng)線(xiàn)性放大區(qū)。

◆擊穿區(qū)：右側(cè)虛線(xiàn)以右之區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)UDS＞BUDS，管子被擊穿，ID隨UDS的增加而急劇增加。

2．轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

當(dāng)UDS一定時(shí)，ID與UGS之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)UDS＞|VP|后，即恒流區(qū)內(nèi)，ID 受UDS影響甚小，所以轉(zhuǎn)移特性通常只畫(huà)一條。在工程計(jì)算中，與恒流區(qū)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性可以近似地用下式表示：Id=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)

式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS＝0時(shí)的漏極飽和電流。

功率MOS場(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)功率MOSFET(Power MOSFET)。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor--SIT)。其特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。

功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的種類(lèi):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(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型;對(duì)于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖1所示;其導(dǎo)通時(shí)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β蔒OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)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(guó)際整流器公司(International Rectifier)的HEXFET采用了六邊形單元;西門(mén)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。