功率场效应晶体管结构与工作原理

时间:2023-03-14作者:佚名

一、结构与工作原理

1.结构

MOSFET的类型很多,按导电沟道可分为P沟道和N沟道;根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型。功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。从结构上看,功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差别。小功率MOS管的导电沟道平行于芯片表面,是横向导电器件。而P-MOSFET常采用垂直导电结构,称VMOSFETVertical MOSFET),这种结构可提高MOSFET器件的耐电压、耐电流的能力。图1给出了具有垂直导电双扩散MOS结构的VD-MOSFETVertical Double-diffused MOSFET)单元的结构图及电路符号。一个MOSFET器件实际上是由许多小单元并联组成。

功率场效应晶体管结构与工作原理

a 结构图 b 符号(N沟道) c 符号(P沟道)

1 MOSFET的结构图及电路符号

2.工作原理

如图1所示,MOSFET的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极接正电源,源极接负电源,栅源极间的电压为零时,P基区与N区之间的PN结反偏,漏源极之间无电流通过。如在栅源极间加一正电压UGS,则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开,而将电子吸引到栅极下的P基区的表面,当UGS大于开启电压UT时,栅极下P基区表面的电子浓度将超过空穴浓度,从而使P型半导体反型成N型半导体,成为反型层,由反型层构成的N沟道使PN结消失,漏极和源极间开始导电。UGS数值越大,P-MOSFET导电能力越强,ID也就越大。

二、工作特性

1.静态特性

1)漏极伏安特性

漏极伏安特性也称输出特性,如图2所示,可以分为三个区:可调电阻区Ⅰ,饱和区Ⅱ,击穿区Ⅲ。在Ⅰ区内,固定栅极电压UGS,漏源电压UDS从零上升过程中,漏极电流iD首先线性增长,接近饱和区时,iD变化减缓,而后开始进入饱和。达到饱和区Ⅱ后,此后虽UDS增大,但iD维持恒定。从这个区域中的曲线可以看出,在同样的漏源电压UDS下,UGS越高,因而漏极电流iD也大。当UDS过大时,元件会出现击穿现象,进入击穿区Ⅲ。

2)、转移特性

漏极电流ID与栅源极电压UGS反映了输入电压和输出电流的关系,称为转移特性,如图3所示。当ID较大时,该特性基本上为线性。曲线的斜率g=△ID/UGS称为跨导,表示P-MOSFET栅源电压对漏极电流的控制能力,与GTR的电流增益β含义相似。图中所示的UGSth为开启电压,只有UGS>UGSth­时才会出现导电沟道,产生栅极电流ID

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2 漏极伏安特性 3 转移特性

2.开关特性

P-MOSFET是多数载流子器件,不存在少数载流子特有的存贮效应,因此开关时间很短,典型值为20ns,而影响开关速度的主要是器件极间电容。图4为元件极间电容的等效电路,从中可以求得器件输入电容为CinCGSCGD。正是Cin在开关过程中需要进行充、放电,影响了开关速度。同时也可看出,静态时虽栅极电流很小,驱动功率小,但动态时由于电容充放电电流有一定强度,故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高,栅极驱动功率也越大。

P-MOSFET的开关过程如图5所示,其中UP为驱动电源信号,UGS为栅极电压,iD为漏极电流。当UP信号到来时,输入电容Cin有一充电过程,使栅极电压UGS只能按指数规律上升。P-MOSFET的开通时间为tontd(on)tr。当UP信号下降为零后,栅极输入电容Cin上贮存的电荷将通过信号源进行放电,使栅极电压UGS按指数下降,到UP结束后的td(off)时刻,iD电流才开始减小,故td(off)称为关断延迟时间。P-MOSFET的关断时间应为tofftd(off)tf

功率场效应晶体管结构与工作原理功率场效应晶体管结构与工作原理

4 输入电容等效电路 5 开关特性

三、主要参数与安全工作区

1.主要参数

1)漏极电压UDS

漏极电压UDSP-MOSFET的电压定额。

2 电流定额ID

电流定额ID为漏极直流电流,IDM为漏极脉冲电流幅值。

3 栅源电压UGS

栅源间加的电压不能大于此电压,否则将击穿元件。

2.安全工作区

P-MOSFET是多数载流子工作的器件,元件的通态电阻具有正的温度系数,即温度升高通态电阻增大,使漏极电流能随温度升高而下降,因而不存在电流集中和二次击穿的限制,有较宽的安全工作区。P-MOSFET的正向偏置安全工作区由四条边界包围框成,如图6所示。其中Ⅰ为漏源通态电阻限制线;Ⅱ为最大漏极电流IDM限制线;Ⅲ为最大功耗限制线;Ⅳ为最大漏源电压限制线。

功率场效应晶体管结构与工作原理

6 P-MOSFET正向偏置安全工作区

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