功率场效应晶体管MOSFET原理新Word格式文档下载.docx

1、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V GS,并且使V GS大于

2、或等于管子的开启电压V GS（th,则管子开通,在漏、源极间流过电流I D。V GS超过V GS（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Power MOSFET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BV DSS（V、导通时的漏极电流I D（A和栅极开启电压V GS（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I D不随漏源电压V DS的增加而增加,也就是基本保持不变;

3、非饱和区内,V GS一定时,I D随V DS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I D与栅源之间电压V GS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中的电流增益相似。由于Power MOSFET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V GS（th为开启电压,只有当V GS= V GS（th时才会出现导电沟道,产生漏极电流I D。HRM94N60转移特性曲线2、主要参数（1漏-源击穿电压BV DSS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

4、雪崩击穿电压,BV DSS 是正温度系数,BV DSS随结温的升高而升高,这点正好与GTR（双极晶体管相反。HRM94N60 BV DSS-T J曲线（2最大栅源电压V GS:V GS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V GS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。（3连续漏极电流I D:定义为芯片在最大额定结温T J（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。HRM94N60 I D-T C温度特性曲线:（4脉冲漏

5、极电流I DM: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P D（6阈值电压V GS（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,V GS（th的变化范围是规定好的。V GS（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,V GS（th将会降低。HRM94N60 V GS（TH-T C特性曲线:（7导通电阻R DS（on:R DS（on是指在特定的漏电流（通常为I D电流的一半、栅源电压和T J

6、=25的情况下测得的漏-源电阻。R DS（on为正温度曲线,如下图: HRM94N60 R DS（ON-I D特性曲线:HRM94N60 R DS（ON-T J特性曲线:（8零栅压漏极电流I DSS:I DSS是指栅极（G源极（S电压即V GS=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I GSS :I GSS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。Power MOSFET的动态特性

7、。如图3所示。Power MOSFET 的动态特性用图3（a电路测试。图中,u p为矩形脉冲电压信号源;R S为信号源内阻;R G为栅极电阻;R L为漏极负载电阻;R F用以检测漏极电流。Power MOSFET 的开关过程波形,如图3（b所示。Power MOSFET 的开通过程:由于Power MOSFET 有输入电容,因此当脉冲电压u p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，

8、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 Power MOSFET 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+CGD CoSS=CGD+CDS CrSS=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

9、、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、漏源通态电阻线和最大功耗限制线， 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,10s。它与 GTR 安全工作区比有 2 个明显的区别： 因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率 PSB 限制线；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。 12 IRFM250 安全工作区曲线： 13