功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管
功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即MOSFET，其原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體)，F(xiàn)ET(Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體(S)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
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功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即MOSFET，其原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體)，F(xiàn)ET(Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體(S)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
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?，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(guó)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(wú)電流流過(guò)。
導(dǎo)電:在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)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(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)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(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)稱功率MOSFET(Power MOSFET)。結(jié)型功率場(chǎng)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(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(guò)10kW的電力電子裝置。
首先根據(jù)你的需求決定選擇NPN還是PNP（建議盡量選用NPN，應(yīng)為同工藝的NPN管子要比PNP的相對(duì)便宜、性能相對(duì)優(yōu)越）然后根據(jù)你的電路環(huán)境決定管子耐壓Vds，過(guò)流Id，根據(jù)導(dǎo)通損耗需求選擇導(dǎo)通電阻R...
為什么MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的飽和電流并不完全飽和?為什么這么說(shuō)啊
這管子中的（飽和）電流是用來(lái)做功的，它就必掛有外負(fù)載。而這些外負(fù)載就限止這個(gè)電路中的最大電流。除非你在有足夠能力的電源上短路這管子才有可能讓它到它額定的飽和電流。
功率MOS場(chǎng)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(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。
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(shí)，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(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)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(lái)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(shí)器件導(dǎo)通。電力MOSFET的通態(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。
其測(cè)試電路和開關(guān)過(guò)程波形如圖3所示。
開通過(guò)程;開通延遲時(shí)間td(on) -up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段;
上升時(shí)間tr- uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)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(shí)間ton-開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。
關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) -up下降到零起，Cin通過(guò)Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開始減小為零的時(shí)間段。
下降時(shí)間tf- uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS
關(guān)斷時(shí)間toff-關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。
MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系，使用者無(wú)法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)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(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速，開關(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。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。
在器件應(yīng)用時(shí)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(gè)雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來(lái)的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對(duì)di/dt來(lái)說(shuō)，它還存在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問(wèn)題，所以也帶來(lái)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(lái)估量。但盡管如此，它也存在動(dòng)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(lái)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(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。(就像IGBT也寄生著一個(gè)晶閘管一樣)。這幾個(gè)方面，是研究MOSFET動(dòng)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(lái)表達(dá)。當(dāng)反向di/dt很大時(shí)，二極管會(huì)承受一個(gè)速度非常快的脈沖尖刺，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(lái)說(shuō)，仔細(xì)研究其動(dòng)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(shí)導(dǎo)通反向時(shí)阻斷的簡(jiǎn)單概念很不相同。當(dāng)電流迅速下降時(shí)，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復(fù)時(shí)間。PN結(jié)要求迅速導(dǎo)通時(shí)，也會(huì)有一段時(shí)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(huì)增加作為多子器件的MOSFET的復(fù)雜性。
功率MOSFET的設(shè)計(jì)過(guò)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?yàn)橹挥性诼ON區(qū)下的橫向電阻流過(guò)足夠電流為這個(gè)N區(qū)建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動(dòng)態(tài)條件下，因dv/dt通過(guò)相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時(shí)這個(gè)寄生的雙極性晶體管就會(huì)起動(dòng)，有可能給MOSFET帶來(lái)?yè)p壞。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對(duì)功率MOSFET器件內(nèi)部的各個(gè)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(duì)器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應(yīng)的問(wèn)題。
功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管從驅(qū)動(dòng)模式上看，屬于電壓型驅(qū)動(dòng)控制元件，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，所需驅(qū)動(dòng)功率很小。采用功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)作為開關(guān)電源中的功率開關(guān)，在啟動(dòng)或穩(wěn)態(tài)工作條件下，功率MOSFET場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)方式:場(chǎng)效應(yīng)管是電壓驅(qū)動(dòng)，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小;功率晶體管是電流驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)條件選擇困難，驅(qū)動(dòng)條件會(huì)影響開關(guān)速度。
2. 開關(guān)速度:場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)少數(shù)載流子存儲(chǔ)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(chǔ)時(shí)間限制其開關(guān)速度，工作頻率一般不超過(guò)50KHz。
3. 安全工作區(qū):功率場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)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(chǎng)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(wú)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(chǎng)效應(yīng)管在開關(guān)電源中用做開關(guān)時(shí)，在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，峰值電流較低;而功率晶體管在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，峰值電流較高。
6. 產(chǎn)品成本:功率場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管無(wú)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(chǎng)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。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管逆變式氬弧焊機(jī)的研制
場(chǎng)效應(yīng)晶體管逆變式氬弧焊機(jī)的研制
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場(chǎng)效應(yīng)晶體管逆變式氬弧焊機(jī)的研制——為了滿足市場(chǎng)需要．研制了X7-160直流脈沖氬弧焊機(jī)，并對(duì)誼焊機(jī)的電路組成廈工作原理進(jìn)行了介紹．對(duì)PWN脈寬調(diào)制技術(shù)做了較詳細(xì)的分析。實(shí)踐表明．誼焊機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，具有體積小、質(zhì)量輕、高垃節(jié)能等特點(diǎn)，并具有良好的焊...
600伏垂直溝結(jié)柵高速場(chǎng)效應(yīng)晶體管
600伏垂直溝結(jié)柵高速場(chǎng)效應(yīng)晶體管
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隨著高速毫微秒脈沖技術(shù)的迅速發(fā)展,原有的電真空器件由于體積大、功耗大、壽命短、可靠性差等缺點(diǎn),已不能適應(yīng)當(dāng)前高速毫微秒脈沖技術(shù)發(fā)展的需要。整機(jī)單位迫切要求實(shí)現(xiàn)高壓高速脈沖源的固體化、小型化。這就推動(dòng)了高壓大電流高速半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的努力,取得了很大進(jìn)展,并已成為當(dāng)前大功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的一個(gè)引人注目的研究方向。 目前大力推廣應(yīng)用的器件主要有垂直溝道硅MOS場(chǎng)效應(yīng)管,而高壓垂直溝道結(jié)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開發(fā)研制則近幾年才開始。由于結(jié)柵場(chǎng)效應(yīng)管是一種耗盡型器件,極間電容小,器件的開關(guān)速度優(yōu)于MOS器件。在需要產(chǎn)生極窄寬度的高壓脈沖場(chǎng)合下,垂直溝道結(jié)柵高壓場(chǎng)效應(yīng)晶體管是理想的固體器件。其優(yōu)越的開關(guān)性能、溫度特性不是雙極型或MOS器件可以輕易取代的。
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(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 。
功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其特性
一、 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電壓控制器件，在功率場(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)，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(méi)有V形槽，只形成了很短的導(dǎo)通溝槽。
二、 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本參數(shù)及符號(hào)
1.極限參數(shù)和符號(hào)
(1) 漏源極間短路時(shí)，柵漏極間的耐壓VGDS
(2) 漏源極間開路時(shí)，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(chǔ)溫度TSTG
2.電氣特性參數(shù)和符號(hào)
(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(shí)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(shí)的漏源極間電阻RDS(on)
(9) 導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間td(on)
(10)上升時(shí)間tr
(11)截止延時(shí)時(shí)間td(off)
(12)下降時(shí)間tf
這些參數(shù)反映了功率場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管用于電機(jī)控制等用途時(shí)特別有用。
利 用半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)制作的功率晶體管。半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)指通過(guò)垂直于半導(dǎo)體表面的外加電場(chǎng)，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(chǎng)效應(yīng)晶體管元件符號(hào)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(chǎng)效應(yīng)晶體管)是最重要的一種功率場(chǎng)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(wàn)個(gè)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(guò)硅片，漏極和源極間電壓也加在硅片的兩個(gè)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(duì)源極的電壓，可以控制通過(guò)溝道的電流大小。耗盡型器件在其柵極電壓為零時(shí)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(duì)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(gè)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(diǎn):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(shí),其功率損耗高于GTR。此外，由于導(dǎo)電溝道很窄(微米級(jí)),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(shì)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(gè)元件制成組件和模塊，進(jìn)而與控制線路集成在一個(gè)模塊中(這將會(huì)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。
電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)
