功率場效應(yīng)晶體管

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(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(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(shí)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(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(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(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。

即是在大功率范圍應(yīng)用的場效應(yīng)晶體管，它也稱作功率MOSFET，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1. 具有較高的開關(guān)速度。

2. 具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，并且具有正的電阻溫度系數(shù)，因此適合進(jìn)行并聯(lián)使用。

3. 具有較高的可靠性。

4. 具有較強(qiáng)的過載能力。短時(shí)過載能力通常額定值的4倍。

5. 具有較高的開啟電壓，即是閾值電壓，可達(dá)2~6V(一般在1.5V~5V之間)。當(dāng)環(huán)境噪聲較高時(shí)，可以選 用閾值電壓較高的管子，以提高抗干擾能力;反之，當(dāng)噪聲較低時(shí)，選用閾值電壓較低的管子，以降低所需的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓。給電路設(shè)計(jì)帶來了極大地方便。

6. 由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此其驅(qū)動(dòng)功率很小，對驅(qū)動(dòng)電路要求較低。

由于這些明顯的優(yōu)點(diǎn)，功率場效應(yīng)晶體管在電機(jī)調(diào)速，開關(guān)電源等各種領(lǐng)域應(yīng)用的非常廣泛。

一種短溝道的功率場效應(yīng)晶體管。簡稱 SIT。為區(qū)別起見， 一般不把它歸入功率場效應(yīng)晶體管類。SIT通常采用 n溝道的結(jié)型場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。圖1為這種SIT的符號(hào)，G、D、S分別代表柵極、漏極和源極。 SIT有平面型、埋溝型等幾種。圖2為平面型SIT的部分剖面結(jié)構(gòu)。該器件源極的n型半導(dǎo)體被柵極的p型半導(dǎo)體所圍，漏極電流IDS必須通過這一窄小的溝道。在柵極與源極間加大負(fù)電壓VGS時(shí),會(huì)使上述溝道變窄以至消失，結(jié)果便在原溝道位置形成了一個(gè)阻止電子通過的位壘。漏極電壓VDS對這一位壘也有影響，但作用遠(yuǎn)不如柵極明顯。改變柵極的電壓，便可控制流過源極和漏極間的電流。圖3是該器件的輸出特性，反映了柵極的控制作用和一定柵極電壓下漏極電流與電壓的關(guān)系。從圖3中可以看到，為截止漏極電流，需要柵極電壓有足夠的負(fù)值，較高的漏極電壓需要有更大負(fù)值的柵極電壓;一旦SIT導(dǎo)通，漏極和源極間相當(dāng)于一個(gè)小電阻。