功率场效应晶体管MOSFET原理新.docx

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功率场效应晶体管MOSFET原理新

功率场效应晶体管结构和工作原理

北京华芯微半导体有限公司兰怀迎

功率场效应管（PowerMOSFET是一种单极型的电压控制器件,不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,特别适于高频化电力电子装置,如应用于DC/DC变换、开关电源、电机调速等电子电器设备中。

一、功率场效应管种类和结构介绍

功率场效应晶体管种类和结构有许多种,按导电沟道可分为N

沟道和P沟道,同时又有耗尽型和增强型之分,N沟道增强型绝缘栅功率场效应管为主要应用。

IR公司常见N沟道产品:

IRFE120,IRFE130,IRFM140,IRFM150,IRFE230,IRFM240,IRFM250,IRFV260,IRFM350,IRFM360,IRFM450,IRFM460等等,北京华芯微半导体有限公司目前的N沟道产品:

GHRM24100TGGHRM910THGHRM3100TFHRM540HRM7225G,HRM7228H,HRM260D,HRM4760K,

HRM94N60等等

功率场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同,但结构有很大区别。

小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件,导电沟道平行于芯片表面,横向导电。

功率场效应晶体管大多采用垂直导电结构,提高了器件的耐电压和耐电流的能力。

功率场效应晶体管采用多单元集成结构,一个器件由成千上万个小的MOSFET组成,图1（a所示N沟道增强型双扩散功率场效应晶体管一个单元的剖面图,电气符号如图1（b所示。

功率场效应晶体管有3个端子:

漏极D、源极S和栅极G。

当漏极接电源正,源极接电源负时,栅极和源极之间电压为0,沟道不导

电,管子处于截止。

如果在栅极和源极之间加一正向电压VGS,并且使VGS大于或等于管子的开启电压VGS（th,则管子开通,在漏、源极间流过电流ID。

VGS超过VGS（th越大,导电能力越强,漏极电流越大。

二、功率场效应管的静态特性和主要参数

PowerMOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性,与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压BVDSS（V、导通时的漏极电流ID（A和栅极开启电压VGS（th（V等。

1、静态特性

（1输出特性

输出特性即是漏极的伏安特性。

特性曲线如图2（b所示。

由图所见,输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。

这里饱和、非饱和的概念与双极性晶体管（GTR不同。

饱和是指漏极电流ID不随漏源电压VDS的增加而增加,也就是基本保持不变;

非饱和区内,VGS一定时,ID随VDS增加呈线性关系变化。

HRM94N60输出特性曲线（2转移特性

转移特性表示漏极电流ID与栅源之间电压VGS的转移特性关系曲线,如图2（a所示。

转移特性可表示出器件的放大能力,并且是与GTR中的电流增益β相似。

由于PowerMOSFET是压控器件,因此用跨导这一参数来表示。

跨导定义为

（1

图中VGS（th为开启电压,只有当VGS=VGS（th时才会出现导电沟道,产生漏极电流ID。

HRM94N60转移特性曲线

2、主要参数

（1漏-源击穿电压BVDSS

在指定的温度和栅极源极短接情况下,流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。

这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压,BVDSS是正温度系数,BVDSS随结温的升高而升高,这点正好与GTR（双极晶体管相反。

HRM94N60BVDSS-TJ曲线

（2最大栅源电压VGS:

VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。

设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。

实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压,但是会随制造工艺的不同而改变,因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。

（3连续漏极电流ID:

定义为芯片在最大额定结温TJ（max下,管壳表面温度在25℃或者更高温度下,可允许通过漏极和源极的最大连续直流电流。

HRM94N60ID-TC温度特性曲线:

（4脉冲漏极电流IDM:

该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低,脉冲电流要远高于连续的直流电流。

（5容许沟道总功耗PD

（6阈值电压VGS（th:

是指加在栅极（G源极（S两端能使漏极（D开始有电流的电压,或关断MOSFET时电流消失时的电压。

正常情况下,所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同。

因此,VGS（th的变化范围是规定好的。

VGS（th是负温度系数,当温度上升时,MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启,VGS（th将会降低。

HRM94N60VGS（TH-TC特性曲线:

（7导通电阻RDS（on:

RDS（on是指在特定的漏电流（通常为ID电流的一半、栅源电压和TJ=25℃的情况下测得的漏-源电阻。

RDS（on为正温度曲线,如下图:

HRM94N60RDS（ON-ID特性曲线:

HRM94N60RDS（ON-TJ特性曲线:

（8零栅压漏极电流IDSS:

IDSS是指栅极（（G源极（S电压即VGS=0V时,在指定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。

（9栅源漏电流IGSS:

IGSS是指在指定的栅源电压下流过栅极的漏电流。

三、功率场效应管的动态特性和主要参数

1、动态特性

动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系,它影响器件的开关过程。

由于该器件为单极型,靠多数载流子导电,因此开关速度快、时间短,一般在纳秒数量级。

PowerMOSFET的动态特性。

如图3所示。

PowerMOSFET的动态特性用图3（a电路测试。

图中,up为矩形脉冲电压信号源;RS为信号源内阻;RG为栅极电阻;RL为漏极负载电阻;RF用以检测漏极电流。

PowerMOSFET的开关过程波形,如图3（b所示。

PowerMOSFET的开通过程:

由于PowerMOSFET有输入电容,因此当脉冲电压up的上升沿到来时,输入电容有一个充电过程,

从上述分析可知，要提高器件的开关速度，则必须减小开关时间。

在输入电容一定的情况下，可以通过降低驱动电路的内阻RS来加快开关速度。

功率场效应管晶体管是压控器件，在静态时几乎不输入电流。

但在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要一定的驱动功率。

工作速度越快，需要的驱动功率越大。

2、动态参数

（1）极间电容PowerMOSFET的3个极之间分别存在极间电容CGS，CGD，CDS。

通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容CiSS、共源极输出电容CoSS、反向转移电容CrSS。

它们之间的关系为CiSS=CGS+CGDCoSS=CGD+CDSCrSS=CGD（6（4（5前面提到的输入电容可近似地用CiSS来代替。

（2）漏源电压上升率器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的du/dt可能导致电路性能变差，甚至引起器件损坏。

四、功率场效应管的安全工作区1、正向偏置安全工作区11

正向偏置安全工作区，如图4所示。

它是由最大漏源电压极限线I、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和最大功耗限制线Ⅳ，4条边界极限所包围的区域。

图中示出了4种情况：

直流DC，脉宽10ms，1ms,10μs。

它与GTR安全工作区比有2个明显的区别：

①因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率PSB限制线；②因为它通态电阻较大，导通功耗也较大，所以不仅受最大漏极电流的限制，而且还受通态电阻的限制。

2、开关安全工作区开关安全工作区为器件工作的极限范围，如图5所示。

它是由最大峰值电流IDM、最小漏极击穿电压BVDSS和最大结温TJM决定的，超出该区域，器件将损坏。

器件在实际应用中，安全工作区应留有一定的富裕度。

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IRFM250安全工作区曲线：

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