電力電子半導(dǎo)體器件(MOSFET)

1、第五章 功率場效應(yīng)晶體管 （Power MOSFET)TO-247ACTO-220FTO-92TO-1265.1 5.1 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理一、普通一、普通MOSFET基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：單極型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力，驅(qū)動(dòng)功率小特點(diǎn)：單極型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力，驅(qū)動(dòng)功率小 工作速度高，無二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬。工作速度高，無二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬。1 1N N溝道溝道MOSFETMOSFET工作原理：工作原理：V VGSGS=0=0，無導(dǎo)電溝道。，無導(dǎo)電溝道。V VGSGS00，反型層出現(xiàn)，反型層出現(xiàn)， 形成形成N N溝道，電子導(dǎo)電。溝道，電子導(dǎo)電。GDS類型

2、：增強(qiáng)型，耗盡型類型：增強(qiáng)型，耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型.P.P溝道溝道MOSFETMOSFET：空穴導(dǎo)電：空穴導(dǎo)電 分類：分類：增強(qiáng)型，耗盡型增強(qiáng)型，耗盡型GDSGDS增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型3存在問題：平面型結(jié)構(gòu)存在問題：平面型結(jié)構(gòu) S、G、D處于同一平面，電流橫向流動(dòng)，電流容量不可能處于同一平面，電流橫向流動(dòng)，電流容量不可能太大；要獲得大功率，可增大溝道寬太大；要獲得大功率，可增大溝道寬/長比（長比（W/L），但溝道），但溝道長度受工藝限制，不能很??；增大管芯面積，但不經(jīng)濟(jì)，因此長度受工藝限制，不能很??；增大管芯面積，但不經(jīng)濟(jì)，因此管子功率小，大功率難實(shí)現(xiàn)。管子功率小，大功率難實(shí)現(xiàn)。二、功率二、

3、功率MOSFET： 如何獲得高耐壓、大電流器件？如何獲得高耐壓、大電流器件？對比對比GTR，GTR在功率領(lǐng)域獲得突破的原因：在功率領(lǐng)域獲得突破的原因：垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)：發(fā)射極和集電極位于基區(qū)兩側(cè)，基區(qū)面積大，垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)：發(fā)射極和集電極位于基區(qū)兩側(cè)，基區(qū)面積大， 很薄，電流容量很大。很薄，電流容量很大。 N N- -漂移區(qū)：集電區(qū)加入輕摻雜漂移區(qū)：集電區(qū)加入輕摻雜N N- -漂移區(qū)，提高耐壓。漂移區(qū)，提高耐壓。雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)：基區(qū)寬度嚴(yán)格控制，可滿足不同等級要求。雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)：基區(qū)寬度嚴(yán)格控制，可滿足不同等級要求。 集電極安裝于硅片底部，設(shè)計(jì)方便，封裝密度高，耐壓特性集電極安裝于硅片底部，設(shè)計(jì)方便，

4、封裝密度高，耐壓特性 好，在較小體積下，輸出功率較大。好，在較小體積下，輸出功率較大。（一）（一）VMOSFET： 保留保留MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小；吸收的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小；吸收GTR優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展功率，主要工藝：展功率，主要工藝：垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)； N N- -漂移區(qū)；漂移區(qū)；雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)；雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)；1VVMOSFET：美國雷達(dá)半導(dǎo)體公司：美國雷達(dá)半導(dǎo)體公司1975年推出年推出特點(diǎn)：特點(diǎn)：VGSVGS加電壓后，形成反型層溝道，電流加電壓后，形成反型層溝道，電流垂直流動(dòng)。垂直流動(dòng)。漏極安裝于襯底，可充分利用硅片面積漏極安裝于襯底，可充分利用硅片面積N N- -漂移區(qū)，提

5、高耐壓，降低漂移區(qū)，提高耐壓，降低C CGDGD電容。電容。雙重?cái)U(kuò)散可精確控制溝道長度。雙重?cái)U(kuò)散可精確控制溝道長度。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：V型槽底部易引起電場集中，提高耐壓困難，改進(jìn)：型槽底部易引起電場集中，提高耐壓困難，改進(jìn)：U型型MOSFET。2VDMOSFET：垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu) 溝道部分是由同一擴(kuò)散窗利用兩次擴(kuò)散形成的P型體區(qū)和N+型源區(qū)的擴(kuò)散深度差形成的，溝道長度可以精確控制雙重?cái)U(kuò)散。 電流在溝道內(nèi)沿著表面流動(dòng)，然后垂直地被漏極吸收。由于漏極也是從硅片底部引出，所以可以高度集成化。 漏源間施加電壓后，由于耗盡層的擴(kuò)展，使柵極下的MOSFET部分幾乎保持一定的電壓，于是可使耐壓提高。 在

6、此基礎(chǔ)上，各種性能上不斷改進(jìn)，出現(xiàn)新結(jié)構(gòu)：TMOS、HEXFET、 SIPMOS、-MOS等。GDS寄生二極管（二）多元集成結(jié)構(gòu) 將成千上萬個(gè)單元MOSFET（單元胞）并聯(lián)連接形成。 特點(diǎn)：降低通態(tài)電阻，有利于電流提高。 多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)MOSFET單元溝道長度大大縮短，并聯(lián)后，溝道電阻大大減小，對提高電流大為有利。 如：IRF150N溝道MOSFET，通態(tài)電阻0.045 提高工作頻率，改善器件性能。 多元集成結(jié)構(gòu)使溝道縮短，減小載流子渡越時(shí)間，并聯(lián)結(jié)構(gòu)，允許很多載流子同時(shí)渡越，開通時(shí)間大大縮短，ns級。5.2 MOSFET特性與參數(shù)一、靜態(tài)特性與參數(shù) 輸出特性、飽和特性、轉(zhuǎn)移特性及通態(tài)電阻

7、、開啟電壓、跨導(dǎo)、最大電壓定額、最大電流定額。1輸出特性：夾斷區(qū)：截止區(qū)，VGSVT（開啟電壓）無反型層，ID電流為0?？勺冸娮鑵^(qū)：ID隨VDS線性變化區(qū)，VGS越大，溝道電阻越小。飽和區(qū)：放大區(qū)，隨VGS增大，ID電流恒流區(qū)域。VDSBVDS雪崩區(qū)：擊穿區(qū)，VDS增大，使漏極PN結(jié)擊穿。2飽和特性：MOSFET飽和導(dǎo)通特性特點(diǎn)： 導(dǎo)通時(shí)，溝道電阻較大，飽和壓降較大。不像GTR有超量存儲電荷，是單極型器件，沒有載流子存儲效應(yīng)。 使用時(shí)，盡量減小溝道電阻，一般，增大VGS電壓，可使溝道電阻減小。3轉(zhuǎn)移特性：ID與VGS關(guān)系曲線定義：跨導(dǎo)gm，表示MOSFET的放大能力，提高寬/長比，可 增大gm

8、。GSDmVIg（S）轉(zhuǎn)移特性gmVGS關(guān)系曲線增強(qiáng)型耗盡型開啟電壓夾斷電壓V GS（OFF）4靜態(tài)參數(shù)：通態(tài)電阻Ron：定義：在規(guī)定VGS下，MOSFET由可變電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)的直 流電阻。它決定管子發(fā)熱，影響輸出功率，通態(tài)壓降。Ron組成：反型層溝道電阻rCH柵漏積聚區(qū)電阻rACCFET夾斷區(qū)電阻rjFET輕摻雜區(qū)電阻rD增大VGS，可減小rCH和rjFETrD減小和提高耐壓相矛盾。Ron與器件耐壓、溫度關(guān)系：器件耐壓越高，器件耐壓越高， Ron越大。隨溫度升高，越大。隨溫度升高， Ron增大。增大。開啟電壓VT：閾值電壓 反型層建立所需最低柵源電壓。定義：工業(yè)上，在漏源短接條件下，ID

9、=1mA時(shí)的柵極電壓。 VT隨結(jié)溫Tj變化，呈負(fù)溫度系數(shù)，Tj每增高45OC，VT下降10%， -6.7mV/OC。漏極擊穿電壓BVDS： 功率MOSFET的最高工作電壓，使用時(shí)留有余量；加吸收回路限制。具有正溫度系數(shù)，Tj升高100OC， BVDS增大10%。柵源擊穿電壓BVGS： 一般+20V，由于SiO2層極薄，VGS過高會發(fā)生介電擊穿。最大漏極電流IDM：受溝道寬度限制，使用時(shí)留有余量。 二、動(dòng)態(tài)特性與參數(shù)1開關(guān)過程與開關(guān)時(shí)間： MOSFET為單極型器件，多數(shù)載流子導(dǎo)電，本身電阻效應(yīng)和渡越效應(yīng)對開關(guān)過程影響很小，開關(guān)速度很高，ns級（典型值20 ns）開通時(shí)間：rdonttt延遲時(shí)間上

10、升時(shí)間ViVi上升到VT影響因素：VT，CGS，CGD及信號源上升時(shí)間、內(nèi)阻。關(guān)斷時(shí)間：fsoffttt存儲時(shí)間下降時(shí)間影響因素：CDS，負(fù)載電阻RD2極間電容：CGS，CGD，CDSCGS，CGD取決于管子幾何形狀，絕緣層厚度等物理尺寸，數(shù)值穩(wěn)定，幾乎不變化。CDS由PN結(jié)形成，取決于溝道面積，反偏程度，受電壓、溫度變化影響。 一般：輸入電容：GDGSissCCC輸出電容：GDDSossCCC反饋電容：GDrssCC*VDS越大，極間電容越?。坏蛪合率褂脮r(shí)，開關(guān)時(shí)間加大，工作頻率受限制。*開關(guān)速度與寄生電容充放電時(shí)間有關(guān)。3影響開關(guān)時(shí)間的因素：極間電容；寄生電感；VDS電壓；ID電流； 驅(qū)動(dòng)

11、源參數(shù)（內(nèi)阻）4dv/dt對MOSFET動(dòng)態(tài)性能影響靜態(tài)dv/dt：會引起MOSFET柵極電壓變化，導(dǎo)致錯(cuò)誤開通。在柵源間并聯(lián)電阻，可防止誤開通。動(dòng)態(tài)dv/dt：回路中電感在MOSFET關(guān)斷時(shí)，引起動(dòng)態(tài)dv/dt；工作頻率越高，負(fù)載等效電感越大，器件同時(shí)承受大的漏極電流和高漏極電壓，將導(dǎo)致器件損壞。 加吸收回路，減小引線長度，采用諧振型電路，可抑制dv/dt二極管恢復(fù)期dv/dt：在MOSFET使用中，二極管發(fā)生續(xù)流過程時(shí)，漏極電壓快速上升，內(nèi)部二極管反向恢復(fù)過程中導(dǎo)致?lián)p壞。主要原因是寄生二極管表現(xiàn)為少子器件，有反向恢復(fù)時(shí)間，反向恢復(fù)期間存儲電荷快速消失，會增大電流密度和電場強(qiáng)度，引起局部擊穿

12、（如二次擊穿），導(dǎo)致器件損壞?？焖俣O管三、安全工作區(qū) 功率MOSFET無二次擊穿，安全工作區(qū)較寬，但通態(tài)電阻Ron較大，在低壓時(shí)，不僅受最大電流限制，同時(shí)受功耗限制。1正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）BVDSIDMPDMRON無二次擊穿，無P S/B限制RON在導(dǎo)通時(shí)限制最大功耗和結(jié)溫，VDS較低時(shí)， RON較大，ID下降。VDS較低時(shí)，極間電容增大，開關(guān)過程變慢，開關(guān)損耗增大，使ID下降。2開關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）IDMBVDSTj150oton, toff VT，造成誤導(dǎo)通；有時(shí)雖不能使MOSFET開通，但使其進(jìn)入放大狀態(tài)，延長二極管反向恢復(fù)時(shí)間，使重加電壓重加電壓峰值降低，反向恢復(fù)期

13、間功耗增加。但重加電壓峰值降低，可避免MOSFET過電壓擊穿。結(jié)溫影響 Tj升高，CSOA曲線縮小。電路引線電感影響 引線電感在二極管反向恢復(fù)時(shí)會產(chǎn)生反電動(dòng)勢，使器件承受很高的峰值電壓。二極管換向速度越快，引線電感越大，峰值電壓越高，對COSA要求更苛刻，應(yīng)盡量減小引線電感。L四、溫度穩(wěn)定性：較GTR好 gm -0.2%/oC Ron 正溫度系數(shù)，0.40.8%/oC ，并聯(lián)可自然均流。五、典型參數(shù)六、MOSFET與GTR比較5.3 柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)一、柵極驅(qū)動(dòng)特性 與GTR相比，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單。1理想柵極驅(qū)動(dòng)電路：要求電路簡單，快速，具有保護(hù)功能。 柵極為容性網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)源輸出電阻直接影響

14、開關(guān)速度。Ron，Roff輸出電阻正電壓開通負(fù)電壓關(guān)斷2驅(qū)動(dòng)特性 MOSFET柵源間靜態(tài)電阻趨于無窮大，靜態(tài)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零，但由于柵極輸入電容的存在，柵極在開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)中仍需一定的驅(qū)動(dòng)電流。開通驅(qū)動(dòng)特性開通時(shí)間振蕩過程感性負(fù)載引線電感驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻關(guān)斷驅(qū)動(dòng)特性：VGS=VDS+VT預(yù)夾斷，進(jìn)入放大區(qū)VDS關(guān)斷時(shí)，由于引線電感存在，產(chǎn)生尖峰電壓電路中應(yīng)加緩沖電路，限幅電路防止過電壓關(guān)斷時(shí)，負(fù)驅(qū)動(dòng)信號尖峰電壓二、柵極驅(qū)動(dòng)電路（一）驅(qū)動(dòng)電流選擇： 不同MOSFET，極間電容量不同，功率越大，極間電容越大，開通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電流也越大。1開通驅(qū)動(dòng)電流： sGSGDGSsGSinonGtVCCtVCI)()(在ts時(shí)間內(nèi)，將柵極輸入電容充電到飽和導(dǎo)通所需電壓VGS2關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電流：)(sDSGDoffGtVCI截止時(shí)漏極電壓放電時(shí)間（二）驅(qū)動(dòng)電路1直接驅(qū)動(dòng)電路：TTL OC門驅(qū)動(dòng) 互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng) CMOS驅(qū)動(dòng)電路2隔離驅(qū)動(dòng)電路：電磁隔離，光電隔離；實(shí)用驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路 種類很多：正反饋型，窄脈沖自保護(hù)型，高速關(guān)斷型； 常用，如雙PNP管驅(qū)動(dòng)電路；保護(hù)電路：采樣漏極電壓，與控制脈沖比較，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。雙絞線過流檢測SBD三、MOSFET并聯(lián)：具有正溫度系數(shù)溝道電阻，并聯(lián)時(shí)可利用這一特性均流。一般，靜態(tài)電流均衡問題不大，關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)電流均衡分配，