功率场效应晶体管(MOSFET)原理(新)

1、功率场效应晶体管结构和工作原理北京华芯微半导体有限公司兰怀迎功率场效应管(Power MOSFET是一种单极型的电压控制器件,不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,特别适于高频化电力电子装置,如应用于DC/DC 变换、开关电源、电机调速等电子电器设备中。一、功率场效应管种类和结构介绍功率场效应晶体管种类和结构有许多种,按导电沟道可分为N沟道和P沟道,同时又有耗尽型和增强型之分,N沟道增强型绝缘栅功率场效应管为主要应用。IR公司常见N沟道产品:IRFE120, IRFE130, IRFM140,IRFM150, IRFE230, IRFM240, IRF

2、M250, IRFV260, IRFM350, IRFM360,IRFM450, IRFM460等等,北京华芯微半导体有限公司目前的N沟道产品:GHRM24100TG GHRM910TH GHRM3100TF HRM540 HRM7225G, HRM7228H, HRM260D, HRM4760K,HRM94N60等等功率场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同,但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件,导电沟道平行于芯片表面,横向导电。功率场效应晶体管大多采用垂直导电结构,提高了器件的耐电压和耐电流的能力。功率场效应晶体管采用多单元集成结构,一个器件由成千上万个小的M

3、OSFET组成,图1(a所示N沟道增强型双扩散功率场效应晶体管一个单元的剖面图,电气符号如图1(b所示。 功率场效应晶体管有3个端子:漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正,源极接电源负时,栅极和源极之间电压为0,沟道不导电,管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压V GS,并且使V GS大于或等于管子的开启电压V GS(th,则管子开通,在漏、源极间流过电流I D。V GS超过V GS(th越大,导电能力越强,漏极电流越大。二、功率场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性,与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压BV DSS(V、导通时的漏极电

4、流I D(A和栅极开启电压V GS(th(V等。1、静态特性(1输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线如图2(b所示。由图所见,输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与双极性晶体管(GTR不同。饱和是指漏极电流I D不随漏源电压V DS的增加而增加,也就是基本保持不变;非饱和区内,V GS一定时,I D随V DS增加呈线性关系变化。 HRM94N60输出特性曲线(2转移特性转移特性表示漏极电流I D与栅源之间电压V GS的转移特性关系曲线,如图2(a所示。转移特性可表示出器件的放大能力,并且是与GTR中的电流增益相似。由于Power MOSFET是压控器件,因此用

5、跨导这一参数来表示。跨导定义为 (1图中V GS(th为开启电压,只有当V GS= V GS(th时才会出现导电沟道,产生漏极电流I D。 HRM94N60转移特性曲线2、主要参数(1漏-源击穿电压BV DSS在指定的温度和栅极源极短接情况下,流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压,BV DSS 是正温度系数,BV DSS随结温的升高而升高,这点正好与GTR(双极晶体管相反。 HRM94N60 BV DSS-T J曲线(2最大栅源电压V GS:V GS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化

6、层可承受的电压远高于额定电压,但是会随制造工艺的不同而改变,因此保持V GS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。(3连续漏极电流I D:定义为芯片在最大额定结温T J(max下,管壳表面温度在25或者更高温度下,可允许通过漏极和源极的最大连续直流电流。HRM94N60 I D-T C温度特性曲线: (4脉冲漏极电流I DM:该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低,脉冲电流要远高于连续的直流电流。(5容许沟道总功耗P D(6阈值电压V GS(th:是指加在栅极(G源极(S两端能使漏极(D开始有电流的电压,或关断MOSFET时电流消失时的电压。正常情况下,所有的MOS 栅极器件的阈值电压都会有所

7、不同。因此,V GS(th的变化范围是规定好的。V GS(th是负温度系数,当温度上升时,MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启,V GS(th将会降低。HRM94N60 V GS(TH-T C特性曲线: (7导通电阻R DS(on:R DS(on是指在特定的漏电流(通常为I D电流的一半、栅源电压和T J =25的情况下测得的漏-源电阻。R DS(on为正温度曲线,如下图: HRM94N60 R DS(ON-I D特性曲线: HRM94N60 R DS(ON-T J特性曲线: (8零栅压漏极电流I DSS:I DSS是指栅极(G源极(S电压即V GS=0V时,在指定的漏源电压下的漏源之间泄

8、漏电流。(9栅源漏电流I GSS :I GSS是指在指定的栅源电压下流过栅极的漏电流。三、功率场效应管的动态特性和主要参数1、动态特性动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系,它影响器件的开关过程。由于该器件为单极型,靠多数载流子导电,因此开关速度快、时间短,一般在纳秒数量级。Power MOSFET的动态特性。如图3所示。 Power MOSFET 的动态特性用图3(a电路测试。图中,u p为矩形脉冲电压信号源;R S为信号源内阻;R G为栅极电阻;R L为漏极负载电阻;R F用以检测漏极电流。Power MOSFET 的开关过程波形,如图3(b所示。Power MOSFET 的开通过程

9、:由于Power MOSFET 有输入电容,因此当脉冲电压u p的上升沿到来时,输入电容有一个充电过程,从上述分析可知， 要提高器件的开关速度， 则必须减小开关时间。 在输入电容一定的情况下，可以通过降低驱动电路的内阻 RS 来加快 开关速度。 功率场效应管晶体管是压控器件，在静态时几乎不输入电流。但 在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要一定的驱动功 率。工作速度越快，需要的驱动功率越大。 2、 动态参数 （1） 极间电容 Power MOSFET 的 3 个极之间分别存在极间电容 CGS，CGD， CDS。通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容 CiSS、共源极 输出电容 C

10、oSS、反向转移电容 CrSS。它们之间的关系为 CiSS=CGS+CGD CoSS=CGD+CDS CrSS=CGD (6 (4 (5 前面提到的输入电容可近似地用 CiSS 来代替。 （2） 漏源电压上升率 器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的 du/dt 可能 导致电路性能变差，甚至引起器件损坏。 四、功率场效应管的安全工作区 1、 正向偏置安全工作区 11 正向偏置安全工作区，如图 4 所示。它是由最大漏源电压极限线 I、最大漏极电流极限线、漏源通态电阻线和最大功耗限制线， 4 条边界极限所包围的区域。图中示出了 4 种情况：直流 DC，脉宽 10ms，1ms,10s。它与 GTR 安全工作区比有 2 个明显的区别： 因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率 PSB 限制线；因为它 通态电阻较大，导通功耗也较大，所以不仅受最大漏极