第十五章半導體功率器件

第十五章半導體功率器件15.5功率MOSFET功率MOSFET的電流通常A，電壓50-100V。與功率BJT比，其優(yōu)點是柵極的控制電流很小。功率MOSFET是由并行運行的重復結構單元構成的。要達到大的閾值電壓，要采用垂直結構，要得到大的電流，使溝道寬度非常寬。功率MOSFET有兩種基本結構：DMOS和VMOS15.5.1功率晶體管的結構雙擴散DMOS晶體管的橫截面圖DMOS器件雙擴散工藝：源區(qū)和襯底是通過柵的邊緣所確定的窗口進行擴散形成的。襯底和源區(qū)橫向擴散距離的不同決定了表面的溝道長度。電子進入源區(qū)電極，橫向從襯底下的反型層漂移至n型漂移區(qū)。然后電子垂直地從n型漂移區(qū)漂移至漏區(qū)電極。垂直溝道VMOSVMOS是非平面結構P襯底在整個表面形成，再進行源區(qū)擴散然后再通過延伸至n型漂移區(qū)做一個V型槽。柵氧化層生長在V型槽上，再鍍金屬柵極。HEXFET：一種功率MOSFET的結構，這種結構是由許多的MOSFET并行放置形成的六角形組態(tài)。HEXFET有很高的集成度，每平方厘米有10萬個圖15.22HEXFET結構15.5.2功率MOSFET的特性

1.兩種功率MOSFET的特性參數(shù)2N67572N6792VDS（MAX）\V150400ID（MAX）\A82PD\W75202.導通電阻：功率MOSFET的漏源之間的有效電阻MOSFET工作在線性區(qū)的溝道電阻電流增大，溫度升高，遷移率減小，電阻增大，限制電流增大。這為功率MOSFET提供了穩(wěn)定性。因此在功率MOSFET中電流會均勻地分散到各個小單元中。圖15.23MOSFET的典型漏源電阻隨漏電流變化的特性曲線Figure15.153.功率MOSFET的安全工作區(qū)功率MOSFET的安全工作區(qū)由最大漏電流IDmax，額定擊穿電壓BVDSS，最大功耗PT=VDSID圖15.25MOSEFET的安全工作區(qū)。（a）線性坐標；（b）對數(shù)坐標例15.2：在MOSFET反向器電路中找到最佳的漏電阻圖15.26MOSEFET反相器電路圖15.27例15.2中器件的安全工作區(qū)與負載線15.5.3寄生雙極晶體管功率晶體管在封裝時采用散熱片，多余的熱量可以及時排出?？紤]散熱片的影響時，引入熱阻（單位：C/W），通過元件的熱功率P器件中的最大安全功耗15.6半導體閘流管半導體閘流管：一系列半導體pnpn開關型器件的名稱，這些器件有著雙穩(wěn)態(tài)正反饋開關特性SCR（半導體可控整流器）三極半導體閘流管的通用名稱

正偏：正電壓加在陽極上，J1和J3結正偏，但J2結反偏，只有非常小的電流。

反偏：負電壓加在陽極上，J1和J3結反偏，同樣只有一個非常小的電流。VP是J2結的擊穿電壓15.6.1半導體閘流管的基本特性Pnpn閘流管可以看作npn和pnp兩個晶體管的耦合對于較小的正偏電壓VA，集電極電流就是反向飽和電流，所以1和2都很小，器件一直處于阻斷狀態(tài)陽極陰極CB結EB結EB結使閘流管處于導通狀態(tài)的方法：1.加足夠大的陽極電壓使J2結發(fā)生雪崩擊穿J2結進入雪崩擊穿時的pnpn器件器件處于大電流低阻抗態(tài)時pnpn結構的結電壓雪崩擊穿產生的電子被掃進n1區(qū)，使n1區(qū)有更多負電，空穴被掃進p2區(qū)，使p2區(qū)帶更多正電。所以正偏電壓V1和V3都開始增加，E-B結電壓增加引起電流增加，電流增益1和2都增加，所以導致IA增加。隨著陽極電流IA增加，基極電流增益1和2增大，兩個等效的BJT被驅使進入飽和狀態(tài)，J2結正偏。整個器件的總電壓很小。IA和VA的關系曲線如圖圖15.32pnpn器件的電流-電壓特性曲線反向阻斷反向阻斷正向導通15.6.2SCR的觸發(fā)機理SCR：三電極的半導體閘流管，第三個電極用于施加柵控信號圖15.33（a）三極SCR；（b）三極SCR的雙晶體管等效電路圖15.34SCR的電流-電壓特性曲線柵控電流是作為空穴的漂移電流而流進p2區(qū)的。多余的空穴提高了P2區(qū)的電勢，同時也增加了npn晶體管B-E結的正偏電壓以及晶體管的1，npn晶體管的效應增加會增加集電極電流IC2，而IC2的增加又會使pnp晶體管的效應提高，于是整個pnpn器件從關態(tài)過度到低阻的導通態(tài)。用于使SCR導通的柵控電流是mA量級，即小電流就能開啟SCR。開啟后，柵電流可以關斷，但SCR仍處于導通狀態(tài)SCR在半波整流電路中的應用圖15.35（a）簡單的SCR電路；（b）輸入交流電壓信號和觸發(fā)脈沖；（c）輸出電壓與時間的關系15.6.3SCR的關斷向器件的p2區(qū)注入空穴可以觸發(fā)SCR使其導通。從P2區(qū)抽走空穴就可以關斷SCR。即加反偏柵電流使npn晶體管脫離飽和狀態(tài)就會使SCR從導通轉換到關斷狀態(tài)15.5.4器件結構1.基本的SCR結構P1區(qū)和p2區(qū)的寬度75m左右，n1區(qū)高阻輕摻雜，寬度250m，使J2結有相當大的擊穿電壓圖15.36基本的SCR器件結構雙邊對稱的閘流管反向并聯(lián)兩個常規(guī)的閘流管

應用于交流功放中，在交流電壓的正負周期中，均勻整齊的轉換，兩個電極交替作為陽極和陰極