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1、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,
2、IRFM240, IRFM250, 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2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
3、多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的 MOSFET 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3导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压 VGS，并且使 VGS 大于或等于管子的开启电压 VGS(th)，则管子开通，在漏、源极间流过电流 ID。V GS 超过 VGS(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
4、和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压 BVDSS（ V） 、导 通 时 的 漏 极电 流 ID(A)和栅极开启电压 VGS(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 ID 不随漏源电压 VDS 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 VDS 增加呈线性关系变化。4HRM94N60 输出特性曲线（2） 转移特性5转移特性表示漏极电流 ID 与栅源之间电压 VGS
5、 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，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为（1）图中 VGS(th)为开启电压，只有当 VGS= VGS(th)时才会出现导电沟道，产生漏极电流 ID。HRM94N60 转移特性曲线2、 主要参数（1） 漏-源击穿电压 BVDSS 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，BVDSS 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。6HRM9
6、4N60 BVDSS-TJ 曲线（2） 最大栅源电压 VGS：VGS 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 VGS 在额定电压以内可以保证应用的可靠性。（3） 连续漏极电流 ID： 定义为芯片在最大额定结温 TJ(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 ID-TC 温度特性曲线：7（4） 脉冲漏极电流 IDM：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
7、许沟道总功耗 PD（6）阈值电压 VGS(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。8HRM94N60 VGS(TH)-TC 特性曲线：（7）导通电阻 RDS(on)：RDS(on)是指在特定的漏电流（通常为 ID 电流的一半）、栅源电压和 TJ =25的情况下测得的漏-源电阻。R DS(on)为正温度曲线，如
8、下图:HRM94N60 RDS(ON)-ID 特性曲线：9HRM94N60 RDS(ON)-TJ 特性曲线：（8）零栅压漏极电流 IDSS：IDSS 是指栅极（ (G)源极 (S)电压即 VGS=0V 时，在指定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。（9）栅源漏电流 IGSS ：10IGSS 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 MOSF
9、ET 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：由于 Power MOSFET 有输入电容，因此当脉冲电压 up 的上升沿到来时，输入电容有一个充电过11程，栅极电压 VGS 按指数曲线上升。当 VGS 上升到开启电压 VTH 时，开始形成导电沟道并出现漏极电流 ID。从 up 前沿时刻到 VGS=VTH，且开始出现 ID 的时刻，这段时间称为开通延时时间 td(on)。此后，
10、I D随 VGS 的上升而上升，V GS 从开启电压 VTH 上升到 Power MOSFET临近饱和区的栅极电压 VGSP 这段时间，称为上升时间 tr。这样Power MOSFET 的开通时间t on=td(on)+tr (2)Power MOSFET 的关断过程：当 up 信号电压下降到 0 时，栅极输入电容上储存的电荷通过电阻 RS 和 RG 放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到 VGSP 继续下降，I D 才开始减小，这段时间称为关断延时时间 td(off)。此后，输入电容继续放电，V GS 继续下降，ID 也继续下降，到 VGS 继续降低使 ID=0，这段时间称为下降时间tf。
11、这样 Power MOSFET 的关断时间t off=td(off)+tf (3)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12（1） 极间电容Power MOSFET 的 3 个极之间分别存在极间电容CGS，C GD，C DS。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 CoSS、反向转移电容 CrSS。它们之间的
12、关系为CiSS=CGS+CGD (4)CoSS=CGD+CDS (5)CrSS=CGD (6)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；13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电流的限制，而且还受通态电阻的限制。2、 开关安全工作区开关安全工作区为器件工作的极限范围，如图 5 所示。它是由最大峰值电流 IDM、最小漏极击穿电压 BVDSS 和最大结温 TJM 决定的，超出该区域，器件将损坏。器件在实际应用中，安全工作区应留有一定的富裕度。IRFM250 安全工作区曲线：14
