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1、功率场效应晶体管MOSFET1.概述MOSFET的原意是： MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应 晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指 绝缘栅型中的MOS 型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET （Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）。其特点
2、是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 ，但其 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。2.功率MOSFET 的结构和工作原理功率MOSFET的种 类：按导电沟道可分为P 沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；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，功率MOSFET主要是N沟道增强型。2.1功率MOSFET 的结构功率MOSFET的内部 结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体
3、管。导电机理与小功率MOS管相同，但 结 构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称 为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分 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），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。功率MOSFET 为多元集成 结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司
4、（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。2.2功率MOSFET 的工作原理截止：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， 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但 栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于 UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使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，
5、漏极和源极导电。2.3功率MOSFET 的基本特性2.3.1静态特性；其转移特性和输出特性如图2所示。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GfsMOSFET的漏极伏安特性（ 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（对应于GTR的饱和区）。 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非 饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通 态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2.3.2动
6、态特性；其测试电路和开关过程波形如图3所示。开通过程；开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段；上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但 iD已不变。开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和。关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs 和RG放电， uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，
7、到uGSUT时沟道消失，ID 下降到零为止的时间段。关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和。2.3.3 MOSFET的开关速度。MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin ，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10100ns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。2.4动态性能的改进在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、
8、 频率外，还必须掌握在应用中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶 闸管是两个双极型晶体管的 组合，又加上因大面 积带来的大电容，所以其dv/dt能力是较为脆弱的。对di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的限制。功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒（而不是每微秒）的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以理解。图4是功率MOSFET 的结构和其相应的等效电路。除了器件的几乎每一部分存在电容以外， 还必须考虑MOSFET 还并联着一个二极管。同时从某个角度看、它还存
9、在一个寄生晶体管。（就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样 ）。这几个方面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。首先MOSFET结 构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用 单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作 为任一种 PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我 们一般理解PN结正向时导 通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一 阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导通时，也会有一段时间并不 显示很低的电阻。在
10、功率 MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。功率MOSFET的 设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻RB 尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N 区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因dv/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFET带来损坏。所以考 虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容（它是dv/dt的通道）都必须予以注意。
11、瞬态情况是和线路情况密切相关的， 这方面在应用中应给 予足够重视。 对器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。3.高压MOSFET 原理与性能分析在功率半导体器件中，MOSFET以高速、低开关 损耗、低驱动损耗在各种功率变换，特别是高频功率变换中起着重要作用。在低 压领域， MOSFET没有竞争对手，但随着MOS的耐压提高，导通电阻随之以2.4-2.6次方增长，其增长速度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流，以折中额定电流、导通电阻和成本之 间的矛盾。即便如此，高压MOSFET在额定结温下的导通电阻产生的导通压降仍居高不下，耐 压500V以上的MOSFET的额
12、定结温、额定电流条件下的导通电压很高，耐压800V以上的导通电压高得惊人， 导通损耗占MOSFET总损耗的2/3-4/5，使应用受到极大限制。3.1降低高压MOSFET 导通电阻的原理与方法3.1.1 不同耐压的MOSFET 的导通电阻分布。不同耐 压的MOSFET，其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同。如耐压30V的MOSFET，其外延 层电阻仅为总导 通电阻的29%，耐压600V的MOSFET的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。由此可以推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外延层电阻占据。欲获得高阻断 电压，就必 须采用高电阻率的外延 层，并增厚。 这就是常规高压MOSFET
13、结构所 导致的高导通电阻的根本原因。3.1.2 降低高压MOSFET 导通电阻的思路。增加管芯面积虽能降低导通电阻，但成本的提高所付出的代价是商业品所不允许的。引入少数 载流子导电虽能降低 导通压降，但付出的代价是开关速度的降低并出现拖尾电流，开关 损耗增加，失去了 MOSFET的高速的优点。以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻，所剩的思路就是如何将阻断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高 掺杂、低 电阻率分开解决。如除导通时低掺杂的高耐压外延层对导通电阻只能起增大作用外并无其他用途。这样，是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现，而在MOSFET关断时，设 法使这个通道以某种
14、方式夹断，使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N-外延层。基于这种思想，1988年INFINEON推出内建横向电场耐压为600V的COOLMOS，使这一想法得以实现。内建横向电场 的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图5所示。与常规MOSFET 结构不同，内建横向电场的MOSFET嵌入垂直P区将垂直导电区域的N 区夹在中间，使MOSFET关断时，垂直的 P与N 之间建立横向电场，并且垂直导电区域的N掺杂浓度高于其外延区N- 的掺杂浓 度。当VGS VTH时，由于被电场反型而产生的N 型导电沟道不能形成，并且D，S间加正电压，使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层，并将垂直 导
15、电的N区耗尽。这个耗尽层具有纵向高阻断电压，如图5（b）所示，这时器件的耐 压取决于P与N-的耐压。因此N-的低掺杂、高电阻率是必需的。当CGS VTH时 ，被电场反型而产生的N型导电沟道形成。源极区的电子通过导电沟道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷，从而恢复被耗尽的N型特性，因此导电沟道形成。由于垂直N区具有较低的电阻率，因而导通电 阻较常规MOSFET将明显降低。通过以上分析可以看到：阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域。将阻断电压与导通电阻功能分开，解决了阻断电压与 导通电阻的矛盾，同 时也将阻断 时的表面PN结转化为掩埋PN结，在相同的N- 掺杂浓 度时，阻断电压还可进一步提高。3.
16、2内建横向电场MOSFET 的主要特性3.2.1 导通电阻的降低。INFINEON的内建横向电场的MOSFET ，耐压600V 和800V，与常规MOSFET 器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下降到常规MOSFET的1/5， 1/10；相同的额定电流，导通电阻分别下降到1/2和约1/3。在额定结温、 额定电流条件下，导通电压分别从12.6V，19.1V下降到6.07V ，7.5V；导通损耗下降到常规MOSFET的1/2和1/3。由于导通损耗的降低，发热减少，器件相对较凉，故称COOLMOS 。3.2.2 封装的减小和热阻的降低。相同 额定电流的COOLMOS 的管芯较常规MOSFET减小到1/3 和1/4，使封装减小两个管壳规格，如表 1所示。表1封装与电流、电压额定值由于COOLMOS管芯厚度仅为常规MOSFET的1/3，使TO-220封装RTHJC从常规1/W降到0.6 /W；额定功率从125W上升到208W，使管芯散热能力提高。3.2.3 开关特性的改善。COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优
