功率MOS場效應晶體管基礎(chǔ)知識分析

功率MOS場效應晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

分類

功率MOS場效應晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點是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，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

種類

功率MOS場效應晶體管的種類：按導電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為；耗盡型；當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道，增強型；對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。

結(jié)構(gòu)

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖1所示；其導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率mos管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。功率MOSFET為多元集成結(jié)構(gòu)，如國際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元；西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元；摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列。

工作原理

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)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面

當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成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，漏極和源極導電。

基本特性

靜態(tài)特性

其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖2所示。

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Gfs

MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）。電力MOSFET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。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

動態(tài)特性

其測試電路和開關(guān)過程波形如圖3所示。

開通過程；開通延遲時間td（on） —up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段；

上升時間tr— uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段；

iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。

開通時間ton—開通延遲時間與上升時間之和。

關(guān)斷延遲時間td（off） —up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小為零的時間段。

下降時間tf— uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS

關(guān)斷時間toff—關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。

開關(guān)速度

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系，使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度，MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時間在10—100ns之間，工作頻率可達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)動功率越大。

動態(tài)性能改進

在器件應用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應用中如何保護器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導通區(qū)的擴展問題，所以也帶來相當嚴格的限制。

功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來估量。但盡管如此，它也存在動態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。

圖4是功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和其相應的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個二極管。同時從某個角度看、它還存在一個寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣）。這幾個方面，是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。

首先MOSFET結(jié)構(gòu)中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復雪崩能力來表達。當反向di/dt很大時，二極管會承受一個速度非常快的脈沖尖刺，它有可能進入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結(jié)二極管來說，仔細研究其動態(tài)特性是相當復雜的。它們和我們一般理解PN結(jié)正向時導通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當電流迅速下降時，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時間。PN結(jié)要求迅速導通時，也會有一段時間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復雜性。

功率MOSFET的設(shè)計過程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB盡量小。因為只有在漏極N區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區(qū)建立正偏的條件時，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴峻的動態(tài)條件下，因dv/dt通過相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時對功率MOSFET器件內(nèi)部的各個電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關(guān)的，這方面在應用中應給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應的問題。

對比

功率MOSFET場效應管從驅(qū)動模式上看，屬于電壓型驅(qū)動控制元件，驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單，所需驅(qū)動功率很小。采用功率MOSFET場效應作為開關(guān)電源中的功率開關(guān)，在啟動或穩(wěn)態(tài)工作條件下，功率MOSFET場效應管的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。功率場效應管與雙極型功率晶體管之間的特性比較如下：

1. 驅(qū)動方式：場效應管是電壓驅(qū)動，電路設(shè)計比較簡單，驅(qū)動功率小；功率晶體管是電流驅(qū)動，設(shè)計較復雜，驅(qū)動條件選擇困難，驅(qū)動條件會影響開關(guān)速度。

2. 開關(guān)速度：場效應管無少數(shù)載流子存儲效應，溫度影響小，開關(guān)工作頻率可達150KHz以上；功率晶體管有少數(shù)載流子存儲時間限制其開關(guān)速度，工作頻率一般不超過50KHz。

3. 安全工作區(qū)：功率場效應管無二次擊穿，安全工作區(qū)寬；功率晶體管存在二次擊穿現(xiàn)象，限制了安全工作區(qū)。

4. 導體電壓：功率場效應管屬于高電壓型，導通電壓較高，有正溫度系數(shù)；功率晶體管無論耐電壓的高低，導體電壓均較低，具有負溫度系數(shù)。

5. 峰值電流：功率場效應管在開關(guān)電源中用做開關(guān)時，在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時，峰值電流較低；而功率晶體管在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時，峰值電流較高。

6. 產(chǎn)品成本：功率場效應管的成本略高；功率晶體管的成本稍低。

7. 熱擊穿效應：功率場效應管無熱擊穿效應；功率晶體管有熱擊穿效應。

8. 開關(guān)損耗：場效應管的開關(guān)損耗很小；功率晶體管的開關(guān)損耗比較大。

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