功率场效应晶体管MOSFET

1.概述

  

  mosfet的原意是:mos(metal oxide semiconductor金属氧化物半导体),fet(field effect transistor场效应晶体管),即以金属层(m)的栅极隔着氧化层(o)利用电场的效应来控制半导体(s)的场效应晶体管。

  功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的mos型(metal oxide semiconductor fet),简称功率mosfet(power mosfet)。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(static induction transistor——sit)。其特点是用栅极电压来控制漏极电流,驱动电路简单,需要的驱动功率小,开关速度快,工作频率高,热稳定性优于gtr,但其电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置。

2.功率mosfet的结构和工作原理

  

  功率mosfet的种类:按导电沟道可分为p沟道和n沟道。按栅极电压幅值可分为;耗尽型;当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道,增强型;对于n(p)沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道,功率mosfet主要是n沟道增强型。

2.1功率mosfet的结构

  

  功率mosfet的内部结构和电气符号如图1所示;其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同,但结构上有较大区别,小功率mos管是横向导电器件,功率mosfet大都采用垂直导电结构,又称为vmosfet(vertical mosfet),大大提高了mosfet器件的耐压和耐电流能力。

  

  按垂直导电结构的差异,又分为利用v型槽实现垂直导电的vvmosfet和具有垂直导电双扩散mos结构的vdmosfet(vertical double-diffused mosfet),本文主要以vdmos器件为例进行讨论。

  

  功率mosfet为多元集成结构,如国际整流器公司(international rectifier)的hexfet采用了六边形单元;西门子公司(siemens)的sipmosfet采用了正方形单元;摩托罗拉公司(motorola)的tmos采用了矩形单元按“品”字形排列。

2.2功率mosfet的工作原理

  

  截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。p基区与n漂移区之间形成的pn结j1反偏,漏源极之间无电流流过。

  

  导电:在栅源极间加正电压ugs,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面p区中的空穴推开,而将p区中的少子—电子吸引到栅极下面的p区表面

  当ugs大于ut(开启电压或阈值电压)时,栅极下p区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使p型半导体反型成n型而成为反型层,该反型层形成n沟道而使pn结j1消失,漏极和源极导电。

2.3功率mosfet的基本特性

2.3.1静态特性;其转移特性和输出特性如图2所示。

  漏极电流id和栅源间电压ugs的关系称为mosfet的转移特性,id较大时,id与ugs的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导gfs

  

  mosfet的漏极伏安特性(输出特性):截止区(对应于gtr的截止区);饱和区(对应于gtr的放大区);非饱和区(对应于gtr的饱和区)。电力mosfet工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力mosfet漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通。电力mosfet的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。

2.3.2动态特性;其测试电路和开关过程波形如图3所示。

  

  开通过程;开通延迟时间td(on) —up前沿时刻到ugs=ut并开始出现id的时刻间的时间段;

  

  上升时间tr— ugs从ut上升到mosfet进入非饱和区的栅压ugsp的时间段;

id稳态值由漏极电源电压ue和漏极负载电阻决定。ugsp的大小和id的稳态值有关,ugs达到ugsp后,在up作用下继续升高直至达到稳态,但id已不变。

  

  开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。

  

  关断延迟时间td(off) —up下降到零起,cin通过rs和rg放电,ugs按指数曲线下降到ugsp时,id开始减小为零的时间段。

  

  下降时间tf— ugs从ugsp继续下降起,id减小,到ugs晶闸管是两个双极型晶体管的组合,又加上因大面积带来的大电容,所以其dv/dt能力是较为脆弱的。对di/dt来说,它还存在一个导通区的扩展问题,所以也带来相当严格的限制。

  功率mosfet的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒(而不是每微秒)的能力来估量。但尽管如此,它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率mosfet的基本结构来予以理解。

  

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计