VDMOS的工作原理与特性曲线

电力场效应管电力场效应管 电力场效应管电力场效应管又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型 Metal Oxide Semiconductor FET 简称电力 MOSFET Power MOSFET 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 Static Induction Transistor SIT 特点特点 用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单 需要的驱动功率小 开关速度快 工作频率高 热稳定性优于 GTR 电流容量小 耐压低 一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置 电力电力 MOSFET 的种类的种类 按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道 耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型 对于 N P 沟道器件 栅极电压大于 小于 零时才存在导电沟道 电力 MOSFET 主要是 N 沟道增强型 电力电力 MOSFET 的结构的结构 小功率 MOS 管是横向导电器件 电力 MOSFET 大都采用垂直导电结构 又称为 VMOSFET Vertical MOSFET 按垂直导电结构的差异 分为利用 V 型槽实现垂直导电的 VVMOSFET 和具有垂直导电双扩散 MOS 结 构的 VDMOSFET Vertical Double diffused MOSFET 这里主要以 VDMOS 器件为例进行讨论 电力电力 MOSFET 的工作原理 的工作原理 N 沟道增强型沟道增强型 VDMOS 截止 漏源极间加正电源 栅源极间电压为零 P 基区与 N 漂移区之间形成的 PN 结 J1 反偏 漏源极之间无电流流过 导电 在栅源极间加正电压 UGS 当 UGS 大于 UT 时 P 型半导体反型成 N 型而成为反型层 该反型层形成 N 沟道而使 PN 结 J1 消失 漏极和源极导电 电力电力 MOSFET 的基本特性的基本特性 1 静态特性 漏极电流 ID 和栅源间电压 UGS 的关系称为 MOSFET 的转移特性 ID 较大时 ID 与 UGS 的关系近似线性 曲线的斜率定义为跨导 Gfs 2 MOSFET 的漏极伏安特性 即输出特性 截止区 对应于 GTR 的截止区 饱和区 对应于 GTR 的放大区 非饱和区 对应 GTR 的饱和区 工作在开关状态 即在截止区和非饱和区之间来回转换 漏源极之间有寄生二极管 漏源极间加反向电压时导通 通态电阻具有正温度系数 对器件并联时的均流有利 3 动态特性 开通过程 开通延迟时间 td on 上升时间 tr 开通时间 ton 开通延迟时间与上升时间之和 关断过程 关断延迟时间 td off 下降时间 tf 关断时间 toff 关断延迟时间和下降时间之和 MOSFET 的开关速度的开关速度 MOSFET 的开关速度和 Cin 充放电有很大关系 可降低驱动电路内阻 Rs 减小时间常数 加快开关速度 不存在少子储存效应 关断过程非常迅速 开关时间在 10 100ns 之间 工作频率可达 100kHz 以上 是主要电力电子器件中最高的 场控器件 静态时几乎不需输入电流 但在开关过程中需对输入电容充放电 仍需一定的驱动功率 开关频率越高 所需要的驱动功率越大 电力电力 MOSFET 的主要参数的主要参数 除跨导 Gfs 开启电压 UT 以及 td on tr td off 和 tf 之外还有 1 漏极电压 UDS 电力 MOSFET 电压定额 2 漏极直流电流 ID 和漏极脉冲电流幅值 IDM 电力 MOSFET 电流定额 3 栅源电压 UGS UGS 20V 将导致绝缘层击穿 4 极间电容 极间电容 CGS CGD 和 CDS 另一种介绍说明 场效应管场效应管 Fjeld Effect Transistor 简称 FET 是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件 故因此而得名 场效应管是一种电压控制器件 只依靠一种载流子参与导电 故又称为单极型晶体管 与双极型晶体三极管相比 它具有输入阻抗高 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强 功耗小 制造工 艺简单和便于集成化等优点 场效应管有两大类 结型场效应管 JFET 和绝缘栅型场效应管 IGFET 后者性能更为优越 发展迅速 应用广泛 图 Z0121 为场效应管的类型及图形 符号 一 结构与分类 图 Z0122 为 N 沟道结型场效应管结构示意图和它的图形 符号 它是在同一块 N 型硅片的两侧分别制 作掺杂浓度较高的 P 型区 用 P 表示 形成两个对称的 PN 结 将两个 P 区的引出线连在一起作为 一个电极 称为栅极 g 在 N 型硅片两端各引出一个电极 分别称为源极 s 和漏极 d 在形 成 PN 结过程中 由于 P 区是重掺杂区 所以 N 一区侧的空间电荷层宽度远大 二 工作原理 N 沟道和 P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同 只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已 下 面以 N 沟道结型场效应管为例来分析其工作原理 电路如图 Z0123 所示 由于栅源间加反向电压 所 以两侧 PN 结均处于反向偏置 栅源电流几乎为零 漏源之间加正向电压使 N 型半导体中的多数载流子 电子由源极出发 经过沟道到达漏极形成漏极电流 ID 1 栅源电压 UGS 对导电沟道的影响 设 UDS 0 在图 Z0123 所示电路中 UGS 0 两个 PN 结处于反向偏置 耗尽层有一定宽度 ID 0 若 UGS 增大 耗尽层变宽 沟道被压缩 截面积减小 沟道电阻增大 若 UGS 减小 耗尽层变窄 沟道变宽 电阻减小 这表明 UGS 控制着漏源之间的导电沟道 当 UGS 负值增加到某一数值 VP 时 两边耗尽层 合拢 整个沟道被耗尽层完全夹断 VP 称为夹断电压 此时 漏源之间的电阻趋于无穷大 管子处 于截止状态 ID 0 2 漏源电压 UGS 对漏极电流 ID 的影响 设 UGS 0 当 UGS 0 时 显然 ID 0 当 UDS 0 且尚小对 P N 结因加反向电压 使耗尽层具有一定宽度 但 宽度上下不均匀 这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻 因而漏源电压 UDS 沿沟道递降 造成 漏端电位高于源端电位 使近漏端 PN 结上的反向偏压大于近源端 因而近漏端耗尽层宽度大于近源端 显然 在 UDS 较小时 沟道呈现一定电阻 ID 随 UDS 成线性规律变化 如图 Z0124 曲线 OA 段 若 UGS 再继续增大 耗尽层也随之增宽 导电沟道相应变窄 尤其是近漏端更加明显 由于沟道电阻的增大 ID 增长变慢了 如图曲线 AB 段 当 UDS 增大到等于 VP 时 沟道在近漏端 首先发生耗尽层相碰的现象 这种状态称为预夹断 这时管子并不截止 因为漏源两极间的场强已足够 大 完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流 IDSS 这种情况如曲线 B 点 当 UDS VP 再增加时 耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分 形成夹断区 由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多 所以比 VP 大的那部分电压基本上降在夹断区上 使夹断区形成 很强的电场 它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极 形成漏极电流 因为未被夹断的沟道上 的电压基本保持不变 于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变 管子呈恒流特性 如曲线 BC 段 但是 如果再增加 UDS 达到 BUDS 时 BUDS 称为击穿电压 进入夹断区的电子将被强电场加速而获 得很大的动能 这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应 产生大量的新生载流予 使 ID 急剧增 加而出现击穿现象 如曲线 CD 段 由此可见 结型场效应管的漏极电流 ID 受 UGS 和 UDS 的双重控制 这种电压的控制作用 是场效应 管具有放大作用的基础 三 特性曲线 1 输出特性曲线 输出特性曲线是栅源电压 UGS 取不同定值时 漏极电流 ID 随漏源电压 UDS 变化的一簇关系曲线 如 图 Z0124 所示 由图可知 各条曲线有共同的变化规律 UGS 越负 曲线越向下移动 这是因为对于 相同的 UDS UGS 越负 耗尽层越宽 导电沟道越窄 ID 越小 由图还可看出 输出特性可分为三个区域即可变电阻区 恒流区和击穿区 可变电阻区 预夹断以前的区域 其特点是 当 0 UDS VP 时 ID 几乎与 UDS 呈线性关系增长 UGS 愈负 曲线上升斜率愈小 在此区域内 场效应管等效为一个受 UGS 控制的可变电阻 恒流区 图中两条虚线之间的部分 其特点是 当 UDS VP 时 ID 几乎不随 UDS 变化 保持某一 恒定值 ID 的大小只受 UGS 的控制 两者变量之间近乎成线性关系 所以该区域又称线性放大区 击穿区 右侧虚线以右之区域 此区域内 UDS BUDS 管子被击穿 ID 随 UDS 的增加而急剧增加 2 转移特性曲线