功率場效應(yīng)晶體管MOSFET原理新

1、功率場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理北京華芯微半導(dǎo)體有限公司 蘭懷迎功率場效應(yīng)管(Power MOSFET)是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關(guān)斷能力,而且有驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)，特別適于高頻化電力電子裝置，如應(yīng)用于DC/DC變換、開關(guān)電源、電機(jī)調(diào)速等電子電器設(shè)備中。一、功率場效應(yīng)管種類和結(jié)構(gòu)介紹功率場效應(yīng)晶體管種類和結(jié)構(gòu)有許多種，按導(dǎo)電溝道可分為N溝道和P溝道，同時(shí)又有耗盡型和增強(qiáng)型之分， N溝道增強(qiáng)型絕緣柵功率場效應(yīng)管為主要應(yīng)用。IR公司常見N溝道產(chǎn)品: IRFE120, IRFE130, IRFM140,IRFM150, IRFE230, IRFM240,

2、IRFM250, IRFV260, IRFM350, IRFM360,IRFM450, IRFM460等等，北京華芯微半導(dǎo)體有限公司目前的N溝道產(chǎn)品:GHRM24100TG GHRM910TH GHRM3100TF HRM540 HRM7225G, HRM7228H, HRM260D, HRM4760K,HRM94N60等等功率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴(kuò)散形成的器件，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，橫向?qū)щ?。功率場效?yīng)晶體管大多采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。功率場效應(yīng)晶體管采用多單元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由成千上萬個(gè)

3、小的MOSFET組成，圖1(a)所示N溝道增強(qiáng)型雙擴(kuò)散功率場效應(yīng)晶體管一個(gè)單元的剖面圖,電氣符號如圖1(b)所示。 功率場效應(yīng)晶體管有3個(gè)端子：漏極D、源極S和柵極G。當(dāng)漏極接電源正，源極接電源負(fù)時(shí)，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導(dǎo)電，管子處于截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓VGS，并且使VGS大于或等于管子的開啟電壓VGS(th)，則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。VGS超過VGS(th)越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。二、功率場效應(yīng)管的靜態(tài)特性和主要參數(shù)Power MOSFET靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，與靜態(tài)特性對應(yīng)的主要參數(shù)有漏極擊穿電壓BVDSS（V）、導(dǎo)通時(shí)的漏極

4、電流ID(A)和柵極開啟電壓VGS(th)（V） 等。1、 靜態(tài)特性（1） 輸出特性輸出特性即是漏極的伏安特性。特性曲線如圖2(b)所示。由圖所見，輸出特性分為截止、飽和與非飽和3個(gè)區(qū)域。這里飽和、非飽和的概念與雙極性晶體管（GTR）不同。飽和是指漏極電流ID不隨漏源電壓VDS的增加而增加，也就是基本保持不變；非飽和區(qū)內(nèi)，VGS一定時(shí)，ID隨VDS增加呈線性關(guān)系變化。HRM94N60輸出特性曲線（2） 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性表示漏極電流ID與柵源之間電壓VGS的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系曲線，如圖2(a)所示。轉(zhuǎn)移特性可表示出器件的放大能力，并且是與GTR中的電流增益相似。由于Power MOSFET是壓控器件，

5、因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來表示。跨導(dǎo)定義為                         （1）圖中VGS(th)為開啟電壓，只有當(dāng)VGS= VGS(th)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流ID。HRM94N60轉(zhuǎn)移特性曲線2、  主要參數(shù)（1）      漏-源擊穿電壓BVDSS 在

6、指定的溫度和柵極源極短接情況下，流過漏極電流達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)的漏源電壓。這種情況下的漏源電壓為雪崩擊穿電壓，BVDSS是正溫度系數(shù)，BVDSS隨結(jié)溫的升高而升高，這點(diǎn)正好與GTR(雙極晶體管)相反。HRM94N60 BVDSS-TJ曲線（2）   最大柵源電壓 VGS：VGS額定電壓是柵源兩極間可以施加的最大電壓。設(shè)定該額定電壓的主要目的是防止電壓過高導(dǎo)致的柵氧化層損傷。實(shí)際柵氧化層可承受的電壓遠(yuǎn)高于額定電壓，但是會(huì)隨制造工藝的不同而改變，因此保持VGS在額定電壓以內(nèi)可以保證應(yīng)用的可靠性。（3）    連續(xù)漏極電流

7、 ID： 定義為芯片在最大額定結(jié)溫TJ(max)下，管殼表面溫度在25或者更高溫度下，可允許通過漏極和源極的最大連續(xù)直流電流。HRM94N60 ID-TC 溫度特性曲線：（4）  脈沖漏極電流 IDM：該參數(shù)反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。（5）容許溝道總功耗PD（6）閾值電壓VGS(th):是指加在柵極（G）源極(S)兩端能使漏極(D)開始有電流的電壓，或關(guān)斷MOSFET時(shí)電流消失時(shí)的電壓。正常情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會(huì)有所不同。因此，VGS(th)的變化范圍是規(guī)定好的。VGS(th)是負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)

8、溫度上升時(shí)，MOSFET將會(huì)在比較低的柵源電壓下開啟，VGS(th)將會(huì)降低。HRM94N60 VGS(TH)-TC特性曲線：（7）導(dǎo)通電阻RDS(on)：RDS(on)是指在特定的漏電流（通常為ID電流的一半）、柵源電壓和TJ =25的情況下測得的漏-源電阻。RDS(on)為正溫度曲線，如下圖:HRM94N60 RDS(ON)-ID特性曲線： HRM94N60 RDS(ON)-TJ特性曲線：（8）零柵壓漏極電流IDSS：IDSS是指柵極（(G)源極(S)電壓即VGS=0V時(shí)，在指定的漏源電壓下的漏源之間泄漏電流。（9）柵源漏電流IGSS ：IGSS是指在指定的柵源電壓下流過柵極的漏電流。三、

9、功率場效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性和主要參數(shù)1、  動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的時(shí)間關(guān)系，它影響器件的開關(guān)過程。由于該器件為單極型，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此開關(guān)速度快、時(shí)間短，一般在納秒數(shù)量級。Power MOSFET的動(dòng)態(tài)特性。如圖3所示。Power MOSFET 的動(dòng)態(tài)特性用圖3(a)電路測試。圖中，up為矩形脈沖電壓信號源；RS為信號源內(nèi)阻；RG為柵極電阻；RL為漏極負(fù)載電阻；RF用以檢測漏極電流。Power MOSFET 的開關(guān)過程波形，如圖3(b)所示。Power MOSFET 的開通過程：由于Power MOSFET 有輸入電容，因此當(dāng)脈沖電壓up的上升沿到來時(shí)，輸入電

10、容有一個(gè)充電過程，柵極電壓VGS按指數(shù)曲線上升。當(dāng)VGS上升到開啟電壓VTH時(shí)，開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流ID。從up前沿時(shí)刻到VGS=VTH，且開始出現(xiàn)ID的時(shí)刻，這段時(shí)間稱為開通延時(shí)時(shí)間td(on)。此后，ID隨VGS的上升而上升，VGS從開啟電壓VTH上升到Power MOSFET臨近飽和區(qū)的柵極電壓VGSP這段時(shí)間，稱為上升時(shí)間tr。這樣Power MOSFET的開通時(shí)間ton=td(on)+tr      (2)Power MOSFET的關(guān)斷過程：當(dāng)up信號電壓下降到0時(shí)，柵極輸入電容上儲(chǔ)存的電荷通過電阻RS和RG放電，使柵極電壓

11、按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到VGSP 繼續(xù)下降，ID才開始減小，這段時(shí)間稱為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間td(off)。此后，輸入電容繼續(xù)放電，VGS繼續(xù)下降，ID也繼續(xù)下降，到VGS繼續(xù)降低使ID=0，這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。這樣Power MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+tf      (3)從上述分析可知，要提高器件的開關(guān)速度，則必須減小開關(guān)時(shí)間。在輸入電容一定的情況下，可以通過降低驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻RS來加快開關(guān)速度。功率場效應(yīng)管晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時(shí)幾乎不輸入電流。但在開關(guān)過程中，需要對輸入電容進(jìn)行充放電，故仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率。工作

12、速度越快，需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。2、  動(dòng)態(tài)參數(shù)（1） 極間電容Power MOSFET的3個(gè)極之間分別存在極間電容CGS，CGD，CDS。通常生產(chǎn)廠家提供的是漏源極斷路時(shí)的輸入電容CiSS、共源極輸出電容CoSS、反向轉(zhuǎn)移電容CrSS。它們之間的關(guān)系為CiSS=CGS+CGD      (4)CoSS=CGD+CDS      (5)CrSS=CGD          (6)前面提到的輸入電容可近似地用CiSS來代替。（2） 漏源電壓上升率器件的動(dòng)態(tài)特性還受漏源電壓上升率的限制，過高的du/dt可能導(dǎo)致電路性能變差，甚至引起器件損壞。四、功率場效應(yīng)管的安全工作區(qū)1、  正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)，如圖4所示。它是由最大漏源電壓極限線I、最大漏極電流極限線、漏源通態(tài)電阻線和最大功耗限制線，4條邊界極限所包圍的區(qū)域。圖中示出了4種情況：直流DC，脈寬10ms，1ms,10s。它與GTR安全工作區(qū)比有2個(gè)明顯的區(qū)別：因