VDMOS的工作原理與特性曲線

1、電力場效應(yīng)管電力場效應(yīng)管又名電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide  Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）。特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)

2、電溝道。增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。推薦精選電力MOSFET的結(jié)構(gòu)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力MOSFET的工作原理（N溝道增強(qiáng)型VDMOS）截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間

3、形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。電力MOSFET的基本特性(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。(2)MOSFET的漏極伏安特性（即輸出特性）：截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時導(dǎo)通。通態(tài)電

4、阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。(3)動態(tài)特性開通過程開通延遲時間td(on) 上升時間tr開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)下降時間tf關(guān)斷時間toff關(guān)斷延遲時間和下降時間之和推薦精選MOSFET的開關(guān)速度MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功

5、率越大。電力MOSFET的主要參數(shù) 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：(1)漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額(2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3)柵源電壓UGS ½UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。(4)極間電容極間電容CGS、CGD和CDS另一種介紹說明：推薦精選場效應(yīng)管（Fjeld Effect Transistor簡稱FET ）是利用電場效應(yīng)來控制半導(dǎo)體中電流的一種半導(dǎo)體器件，故因此而得名。場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導(dǎo)電，故又稱為單極型晶體管。與雙極型晶體三極管

6、相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、功耗小、制造工藝簡單和便于集成化等優(yōu)點(diǎn)。場效應(yīng)管有兩大類，結(jié)型場效應(yīng)管JFET和絕緣柵型場效應(yīng)管IGFET，后者性能更為優(yōu)越，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。圖Z0121 為場效應(yīng)管的類型及圖形、符號。一、結(jié)構(gòu)與分類圖 Z0122為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖和它的圖形、符號。它是在同一塊N型硅片的兩側(cè)分別制作摻雜濃度較高的P型區(qū)（用P 表示），形成兩個對稱的PN結(jié)，將兩個P區(qū)的引出線連在一起作為一個電極，稱為柵極（g），在N型硅片兩端各引出一個電極，分別稱為源極（s）和漏極（d）。在形成PN結(jié)過程中，由于P 區(qū)是重?fù)诫s區(qū)，所以N一區(qū)側(cè)的空間電荷層

7、寬度遠(yuǎn)大二、工作原理N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理完全相同，只是偏置電壓的極性和載流子的類型不同而已。下面以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例來分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由于柵源間加反向電壓，所以兩側(cè)PN結(jié)均處于反向偏置，柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子-電子由源極出發(fā)，經(jīng)過溝道到達(dá)漏極形成漏極電流ID。1柵源電壓UGS對導(dǎo)電溝道的影響（設(shè)UDS0）在圖Z0123所示電路中，UGS 0，兩個PN結(jié)處于反向偏置，耗盡層有一定寬度，ID=0。若|UGS| 增大，耗盡層變寬，溝道被壓縮，截面積減小，溝道電阻增大；若|UGS| 減小，耗盡層變窄，溝道變寬，電阻減小

8、。這表明UGS控制著漏源之間的導(dǎo)電溝道。當(dāng)UGS負(fù)值增加到某一數(shù)值VP時，兩邊耗盡層合攏，整個溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）此時，漏源之間的電阻趨于無窮大。管子處于截止?fàn)顟B(tài)，ID0。2漏源電壓UGS對漏極電流ID的影響（設(shè)UGS0）當(dāng)UGS0時，顯然ID0；當(dāng)UDS0且尚小對，P N結(jié)因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由于漏源之間的導(dǎo)電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞降，造成漏端電位高于源端電位，使近漏端PN結(jié)上的反向偏壓大于近源端，因而近漏端耗盡層寬度大于近源端。顯然，在UDS較小時，溝道呈現(xiàn)一定電阻，ID隨UDS成線性規(guī)律變化（如圖Z0124

9、曲線OA段）；若UGS再繼續(xù)增大，耗盡層也隨之增寬，導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，尤其是近漏端更加明顯。由于溝道電阻的增大，ID增長變慢了（如圖曲線AB段），當(dāng)UDS增大到等于|VP|時，溝道在近漏端首先發(fā)生耗盡層相碰的現(xiàn)象。這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。這時管子并不截止，因?yàn)槁┰磧蓸O間的場強(qiáng)已足夠大，完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS （這種情況如曲線B點(diǎn)）：當(dāng)UDS|VP|再增加時，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長它的接觸部分，形成夾斷區(qū) 。由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區(qū)上，使夾斷區(qū)形成很強(qiáng)的電場，它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極

10、，形成漏極電流。因?yàn)槲幢粖A斷的溝道上的電壓基本保持不變，于是向漏極方向漂移的電子也基本保持不變，管子呈恒流特性（如曲線BC段）。但是，如果再增加UDS達(dá)到BUDS時（BUDS稱為擊穿電壓）進(jìn)入夾斷區(qū)的電子將被強(qiáng)電場加速而獲得很大的動能，這些電子和夾斷區(qū)內(nèi)的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象（如曲線CD段）。由此可見，結(jié)型場效應(yīng)管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用，是場效應(yīng)管具有放大作用的基礎(chǔ)。 三、特性曲線1輸出特性曲線輸出特性曲線是柵源電壓UGS取不同定值時，漏極電流ID 隨漏源電壓UDS 變化的一簇關(guān)系曲線，如圖Z0124所示

11、。由圖可知，各條曲線有共同的變化規(guī)律。UGS越負(fù)，曲線越向下移動）這是因?yàn)閷τ谙嗤腢DS，UGS越負(fù)，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越窄，ID越小。由圖還可看出，輸出特性可分為三個區(qū)域即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。推薦精選可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷以前的區(qū)域。其特點(diǎn)是，當(dāng)0UDS|VP|時，ID幾乎與UDS呈線性關(guān)系增長，UGS愈負(fù)，曲線上升斜率愈小。在此區(qū)域內(nèi)，場效應(yīng)管等效為一個受UGS控制的可變電阻。恒流區(qū)：圖中兩條虛線之間的部分。其特點(diǎn)是，當(dāng)UDS|VP|時，ID幾乎不隨UDS變化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，兩者變量之間近乎成線性關(guān)系，所以該區(qū)域又稱線性放大區(qū)。擊穿區(qū)：右側(cè)虛線以右之區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)UDSBUDS，管子被擊穿，ID隨UDS的增加而急劇增加。2轉(zhuǎn)移特性曲線當(dāng)UDS一定時，ID與UGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性