单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1-,1,2.4.3,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,）,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,——,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 电力场效应晶体管,1-,2,普通场效应晶体管,基本结构与工作原理回顾,,自然状态：两个反向连接的,NP,结，漏源截止,1-,3,栅极正偏,,V,T,，大量电子积聚，反型层形成,(,与薄,N,层等效,),与漏源,N,＋,形成导电沟道，厚度随栅极电压增大而增加。
1-,5,漏源电压,>0,,使导电沟道形成电压梯度，反型层厚度从源到漏方向逐渐变薄漏源电流形成漏源电压改变沟道靠漏端厚度，沟道等效电阻改变：,可变电阻区,,等价于晶体管的饱和导通状态,1-,6,漏源电压增加，导电沟道夹断，强电场维持电子流动使夹断区呈薄反型层性质漏源电压继续增加，反型层最小厚度向源区移动，电场强度增加使电子流速加快，达到一定数值后，进入,饱和,等价于晶体管的放大区,1-,7,普通,MOSFET,的,i-V,特性,饱和电流由给定,栅,极电压的沟道最大电流决定存在问题：平面型结构,,S,、,G,、,D,处于同一平面，电流横向流动，电流容量不可能太大；要获得大功率，可增大沟道宽,/,长比（,W/L,），但沟道长度受工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此管子功率小，大功率难实现1-,8,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,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,1,）电力,MOSFET,的结构和工作原理,1-,9,电力,MOSFET,的结构,,电力,MOSFET,多子（电子）导电：是单极型晶体管。
导电机理与小功率,MOS,管相同，但结构上有较大区别小功率,MOSFET,横向导电结构电力,MOSFET,垂直导电结构：,VVMOS,和,VDMOS,VDMOS,：垂直导电双扩散,MOS,结构漂移区提高电力,MOSFET,反向耐压能力采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计图,1-19,电力,MOSFET,的结构和电气图形符号,1-,10,电力,MOSFET,的结构,,,部分产品不含反并联二极管,1-,12,1.4.3,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的导电机理,1,、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2,、如果漏源极间加负电源：,在实际器件的制造过程中一般有反并联二极管（平面结构的,MOSFET,没有寄生二极管，垂直结构的都有寄生）,1-,13,1.4.3,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的导电机理,：,漏源极间加正电,源,，,栅源极间,V,gs,电压为正电压,1.,栅极绝缘不会有电流流过；,2.,将栅极下,P,区中空穴推开,,,吸引电子到栅极下,P,区表面；,3.,当,Vgs,大于阀值电压后,VT,栅极下,P,区中电子浓度大于空穴浓度,,,形成,N,型半导体,(,反型层,),形成导,N,电沟道,,J,1,消失，源漏极导电。
4.,Vgs,大于阀值电压后,VT,越多,,,导电能力越强，漏极电流越大1-,14,1.4.3,电力场效应晶体管,电力,MOSFET,的特性,：,1,、存在漂移区（低掺杂,N,区）：承受高压；,2,、多子导电，栅极绝缘：无法像电力二极管和,GTR,在导通时有,P,区向漂移区注入大量少子形成电导调制效应来减小通态电压和通态损耗3,、电力,MOS,管可以通过增加漂移区提高耐压等级，但是通态电阻增大，通态损耗增加1-,15,电力,MOSFET,等效电路,基射短路的寄生三极管,V,在所有工作状态均关断漏源电压增大到管雪崩击穿时，雪崩电流在,Rb,上压降超过,0.7V,后,V,将形成二次击穿二次,击穿电压仅为雪崩击穿电压的,60,％VDMOS,的导通电阻组成,,（,一）,VMOSFET,：,保留,MOSFET,的优点，驱动功率小；吸收,GTR,优点，扩展功率，主要工艺：,①垂直导电结构；②,N,-,漂移区；③双重扩散技术；,1,．,VVMOSFET,：美国雷达半导体公司,1975,年推出,特点：,①,VGS,加电压后，形成反型层沟道，电流垂直流动②漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积,③,N,-,漂移区，提高耐压，降低,C,GD,电容。
④双重扩散可精确控制沟道长度缺点：,V,型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进：,U,型,MOSFET,1-,20,缩短沟道电流路径降低导通电阻,VUMOS,基本沟道位于,P,区栅极层底部体区P,区主体与源极短路即,PN,＋,结短路PN,-,N,+,组成体二极管,D,b,，可流过额定电流D,b,具有很慢的反向恢复特性和高的反向恢复电流峰值一般作续流二极管1-,21,COOLMOS,电力场效应管,对于常规,VDMOS,，反向耐压，主要靠的是,N,型,EPI,与,body,区界面的,PN,结，,P body,浓度要大于,N EPI,，,PN,结耗尽区主要向低参杂一侧扩散，所以此结构下，承压主要是,P body,－－,N EPI,在,N,型的一侧区域，这个区域的电场强度是逐渐变化的，越是靠近,PN,结面（,a,图的,A,结），电场强度,E,越大所以形成的浅绿色面积有呈现梯形对于,COOLMOS,结构，由于设置了相对,P body,浓度低一些的,P region,区域，所以,P,区一侧的耗尽区会大大扩展，并且这个区域深入,EPI,中，造成了,PN,结（,b,图的,A,结）两侧都能承受大的电压，就是把峰值电场,Ec,由靠近器件表面，向器件内部深入的区域移动了。
形成的耐压（图中浅绿色的面积）就大了当,COOLMOS,正向导通时，正向电流流通的路径，并没有因为设置了,Pregion,而受到影响1-,23,COOLMOS,电力场效应管,导通时，大量电子进入,N-,区，同时，,P+,区向,P-,区提供空穴向,P-N-,结边界堆积，以获得良好的欧姆特性，比常规,MOS,管降低,5,倍截止时，耗尽层沿,PN,结物理边界伸展，外电压增加时，耗尽层不会进一步扩展，保证了器件的耐压阻断能力二）多元集成结构,将成千上万个单元,MOSFET,（单元胞）并联连接形成特点：,①降低通态电阻，有利于电流提高多元集成结构使每个,MOSFET,单元沟道长度大大缩短，并联后，沟道电阻大大减小，对提高电流大为有利如：,IRF150N,沟道,MOSFET,，通态电阻,0.045,Ω,,②,提高工作频率，改善器件性能多元集成结构使沟道缩短，减小载流子渡越时间，并联结构，允许很多载流子同时渡越，开通时间大大缩短，,ns,级1-,27,1.4.3,电力场效应晶体管,(1),静态特性,漏极电流,I,D,和栅源间电压,U,GS,的关系称为,MOSFET,的,转移特性,I,D,较大时，,I,D,与,U,GS,的关系近似线性，曲线的斜率定义为,跨导,G,fs,。
电力,MOSFET,在截止区和非饱和区之间来回转换0,10,20,30,50,40,2,4,6,8,a),10,20,30,50,40,0,b),10,20,30,50,40,饱和区,非,饱,和,区,截止区,I,D,/,A,U,T,U,GS,/,V,U,DS,/,V,U,GS,=,U,T,=3V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=6V,U,GS,=7V,U,GS,=8V,I,D,/,A,图,1-20,,电力,MOSFET,的转移特性和输出特性,,a),转移特性,b),输出特性,2,）电力,MOSFET,的基本特性,1-,28,电力场效应晶体管,的漏极伏安特性,,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器件导通通态电阻具有,正温度系数，对器件并联时的均流有利,电力,MOSFET,的转移特性和输出特性,,a),转移特性,b),输出特性,0,10,20,30,50,40,2,4,6,8,a),10,20,30,50,40,0,b),10,20,30,50,40,饱和区,非,饱,和,区,截止区,I,D,/,A,U,T,U,GS,/,V,U,DS,/,V,U,GS,=,U,T,=3V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=6V,U,GS,=7V,U,GS,=8V,I,D,/,A,MOSFET,特性与参数,一、静态特性与参数,输出特性、饱和特性、转移特性及通态电阻、开启电压、跨导、最大电压定额、最大电流定额。
1,．输出特性：,夹断区：截止区，,V,GS,
Ron,与器件耐压、温度关系：,器件耐压越高，,Ron,越大随温度升高，,Ron,增大②开启电压,V,T,：阈值电压,反型层建立所需最低栅源电压定义：工业上，在漏源短接条件下，,I,D,=1mA,时的栅极电压V,T,随结温,Tj,变化，呈负温度系数，,Tj,每增高,45,O,C,，,V,T,下降,10%,，,,-6.7mV/,O,C,③,漏极击穿电压,BV,DS,：,功率,MOSFET,的最高工作电压，使用时留有余量；加吸收回路限制具有正温度系数，,Tj,升高,100,O,C,，,BV,DS,增大,10%,④栅源击穿电压,BV,GS,：,一般,+,20V,，由于,SiO,2,层极薄，,VGS,过高会发生介电击穿⑤最大漏极电流,I,DM,：受沟道宽度限制，使用时留有余量二、动态特性与参数,1,．开关过程与开关时间：,,MOSFET,为单极型器件，多数载流子导电，本身电阻效应和渡越效应对开关过程影响很小，开关速度很高，,ns,级（典型值,20 ns,）,①,开通时间,：,延迟时间,上升时间,Vi,Vi,上升到,V,T,影响因素：,V,T,，,C,GS,，,C,GD,及信号源上升时间、内阻②关断时间：,存储时间,下降时间,影响因素：,C,DS,，负载电阻,R,D,2,．,极间电容：,C,GS,，,C,GD,，,C,DS,C,GS,，,C,GD,取决于管子几何形状，绝缘层厚度等物理尺寸，数值稳定，几乎不变化。
C,DS,由,PN,结形成，取决于沟道面积，反偏程度，受电压、温度变化影响 一般：,输入电容：,输出电容：,反馈电容：,*,V,DS,越大，极间电容越小；低压下使用时，开关时间加大，工作频率受限制开关速度与寄生电容充放电时间有关3,．影响开关时间的因素：,①极间电容；,②寄生电感；,③,V,DS,电压；,④,I,D,电流；,⑤,驱动源参数（内阻）,4,．,dv/dt,对,MOSFET,动态性能影响,①静态,dv/dt,：会引起,MOSFET,栅极电压变化，导致错误开通在栅源间并联电阻，可防止误开通②动态,dv/dt,：回路中电感在,MOSFET,关断时，引起动态,dv/dt,；工作频率越高，负载等效电感越大，器件同时承受大的漏极电流和高漏极电压，将导致器件损坏加吸收回路，减小引线长度，采用谐振型电路，可抑制,dv/dt,,③二极管恢复期,dv/dt,：在,MOSFET,使用中，二极管发生续流过程时，漏极电压快速上升，内部二极管反向恢复过程中导致损坏主要原因是寄生二极管表现为少子器件，有反向恢复时间，反向恢复期间存储电荷快速消失，会增大电流密度和电场强度，引起局部击穿（如二次击穿），导致器件损坏。
快速二极管,三、安全工作区,功率,MOSFET,无二次击穿，安全工作区较宽，但通态电阻,Ron,较大，在低压时，不仅受最大电流限制，同时受功耗限制1,．正向偏置安全工作区（,FBSOA,）,BV,DS,I,DM,P,DM,R,ON,无二次击穿，无,P,S/B,限制,R,ON,在导通时限制最大功耗和结温，,V,DS,较低时，,R,ON,较大，,I,D,下降V,DS,较低时，极间电容增大，开关过程变慢，开关损耗增大，使,I,D,下降2,．开关安全工作区（,SSOA,）,器件关断时，为了提高关断速度和可靠性，需要使,VGS,反偏，,SSOA,是指器件关断时容许的工作范围I,DM,BV,DS,Tj<150,o,ton, toff < 1us,3,．转换安全工作区（,CSOA,）,,MOSFET,工作频率高，经常处于转换过程中，其中的寄生二极管影响转换过程定义转换安全工作区,CSOA,，主要是为限制反向恢复电荷的数值1,）功率,MOSFET,反向恢复电荷与各因素的关系：,转换前二极管中最大正向电流,漏源峰值电压,电流变化率,di/dt,2,）定义：,CSOA,为功率,MOSFET,寄生二极管反向恢复性能所,决定的极限工作范围。
表示：在换向速度,di/dt,一定时，用漏极正向电压（二极管反向,电压）和二极管正向电流的安全运行极限值表示二极管最大正向电流,最大允许重复电压,1-,44,功率,MOSFET,开通特性,【,感性负载,】,V,T,典型值＝,2,～,3V,高压,MOSFET,开通损耗比三极管大，一般仅用于低压,(<100V),R,dson,主要由,N-,区电阻决定,,,典型值,〈100,毫欧开通延迟、电流上升、电压下降，栅极电压达到给定,4,段时间组成电感负载，换流期间,D,0,电流到,0,前，管压被嵌位在电源电压电流上升正偏，结电容充电，电压上升,管压下降期间，因,密,勒效应，等效输入电容增大，门极电压平坦,管压降至,VF,，密勒效应消失，门极电压恢复上升,门极电压升至等于正偏电压，开通过程结束,感性负载时，开通损耗大,场效应管,作放大器时，输出端与输入端电压反相，使得,漏栅极之间电容,充放电电流增大，从输入端看进去，好像该电容增大了,k,倍，,k,是放大倍数这种现象叫密勒效应1-,45,功率,MOSFET,关断特性,延迟时间,t,doff,：栅极电容放电，电压降到,Vgp,漏极电流、电压不变电压上升时间,t,rv,：漏极电流、栅极电压不变，漏极电压升向,V,DD,，漏极杂散电抗使漏压超调。
电流下降时间,t,fi,：续流管导通、栅极电压下降到,VT,、漏极电流指数下降到,0,漏压达到稳定阻断电压栅极电压达到给定电压关断过程结束关断损耗,1-,46,动态特性：开通过程,1.,开通延迟时间,t,d(on),,：由于输入电容的存在，栅极电压,u,GS,呈指数曲线上升，从控制信号前沿到,u,GS,超过门槛电压并出现漏极电流,i,d,时间段2.,电流上升时间,t,ri,：漏极电流,i,d,随栅极电压,u,GS,上升而上升，到达稳态时间3.,电压下降时间,t,fv,：漏极电流,i,d,上升达到稳态，栅极电压,u,GS,上升达到,U,GSP,，漏极电压,u,DS,开始下降漏极电压,u,DS,下降时间为,t,fv,在该时间连接在栅极的信号源给栅极和漏极之间的极间电容（米勒电容,Miller Capacitance,）反向充电，从而使漏极电压,u,DS,下降，栅极电压,u,GS,维持,U,GSP,在不变 （米勒平台）,,开通时间：,t,on,= t,d(on),+ t,ri,+ t,fv,,1-,48,动态特性：关断过程,1.,关断延迟时间,t,d(off),,：,u,p,=0,，输入电容,C,in,通过信号源内阻和栅极内阻放电，栅极电压,u,GS,呈指数曲线下降，当达到达到,U,GSP,时（米勒平台），漏极电压,u,DS,开始上升。
2.,电压上升时间,t,rv,：漏极电压,u,DS,上升,,3.,电流下降时间,t,fi,：沟道消失，漏极电流下降到,0.,关断时间：,,t,off,= t,d(off),+ t,rv,+ t,fi,,1-,49,MOSFET,的开关速度,,MOSFET,的开关速度和,C,in,充放电有很大关系可降低驱动电路内阻,R,s,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1-,50,电力场效应晶体管,的主要参数,,——,电力,MOSFET,电压定额,(1),,漏极电压,U,DS,,(2),,漏极直流电流,I,D,和漏极脉冲电流幅值,I,DM,——,电力,MOSFET,电流定额,(3),,栅源电压,U,GS,——,,U,GS,,>20V,将导致绝缘层击穿,除跨导,G,fs,、开启电压,U,T,以及,t,d(on),、,t,r,、,t,d(off),和,t,f,之外还有：,,(4),,极间电容,——,极间电容,C,GS,、,C,GD,和,C,DS,1-,51,电力场效应晶体管,的主要参数,,(4),,极间电容,——,极间电容,C,GS,、,C,GD,和,C,DS.,一般生产厂家提供的是：,漏源极短路时输入电容：,C,iss,共源基输出电容：,C,oss,反向转移电容：,C,rss,上述三者之间的关系为：,C,iss,,=,C,GS,+,C,GD,C,rss,=,C,GD,C,oss,=,C,DS,+,C,GD,1-,52,功率,MOSFET,例,_FB180SA10,连续漏极电流,I,D(25,o,),：,180A,连续漏极电流,I,D(100,o,),：,120A,漏源击穿电压,V,DSS,：,100V,通态电阻,R,DS(on25,o,),：,6.5,m,W,(V,D,=50V)t,don,：,45ns,t,r,：,351ns,t,doff,：,181ns,t,f,：,335ns,二极管正向压降：,1.3V,二极管反向恢复时间最大：,450ns,最大脉冲漏极电流：,720A,,,1-,53,功率,MOSFET,例,_IRFB16N60L/,SPP20N60S5[COOLMOS],连续漏极电流,I,D(25,o,),：,16A/,20A,连续漏极电流,I,D(100,o,),：,10A/,13A,漏源击穿电压,V,DSS,：,600V/,600V,最大通态电阻,R,DS(on25,o,),：,460,m,W/,190,m,W,(V,D,=300V)t,don,：,20ns/,120ns,t,r,：,44ns/,25ns,t,doff,：,28ns /,140ns,t,f,：,5.5ns/,30ns,二极管正向压降：,1.5V/,1V,二极管反向恢复时间最大：,200/,610ns,最大脉冲漏极电流：,60A/,40A,,。