电力场效应管工作原理

电力场效应管简介

电力(li)(li)场效(xiao)应(ying)(ying)管又名(ming)电力(li)(li)场效(xiao)应(ying)(ying)晶体(ti)管分为(wei)结(jie)型(xing)和绝缘(yuan)栅(zha)(zha)型(xing)，通常主(zhu)要指绝缘(yuan)栅(zha)(zha)型(xing)中(zhong)的MOS型(xing)（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力(li)(li)MOSFET（Power MOSFET），结(jie)型(xing)电力(li)(li)场效(xiao)应(ying)(ying)晶体(ti)管一般称作静电感应(ying)(ying)晶体(ti)管（Static Induction Transistor——SIT）。

电力场效应管外形与结构

小功率MOS管是横向导电器件(jian)。电力MOSFET大都采用(yong)垂直(zhi)导电结(jie)构(gou)(gou)，又称(cheng)为(wei)VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直(zhi)导电结(jie)构(gou)(gou)的差异，分为(wei)利用(yong)V型(xing)槽实现垂直(zhi)导电的VVMOSFET和具有垂直(zhi)导电双扩散MOS结(jie)构(gou)(gou) 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

小功率MOS管(guan)是(shi)横向导电器件(jian)。由(you)于N沟道增(zeng)强(qiang)型(xing)(xing)MOS管(guan)最为(wei)常用，因(yin)此下面主要介(jie)绍(shao)这种类型(xing)(xing)的(de)MOS管(guan)。外形与结构，N沟道增(zeng)强(qiang)型(xing)(xing)绝(jue)缘栅场效应管(guan)（简称增(zeng)强(qiang)型(xing)(xing)NMOS管(guan)）如图2-14所(suo)示。

图 2-14

增强型(xing)(xing)(xing)NMOS管的(de)结构(gou)是以P型(xing)(xing)(xing)硅片作为(wei)基片（又称(cheng)衬底(di)(di)），在基片上制作两(liang)个(ge)含很多杂质的(de)N型(xing)(xing)(xing)材(cai)料，再在上面制作一(yi)层很薄的(de)二(er)氧化硅( SiO2)绝缘(yuan)层，在两(liang)个(ge)N型(xing)(xing)(xing)材(cai)料上引(yin)出两(liang)个(ge)铝电极(ji)(ji)，分别(bie)称(cheng)为(wei)漏极(ji)(ji)(D)和(he)源极(ji)(ji)(S)，在两(liang)极(ji)(ji)中(zhong)间的(de)SiO2绝缘(yuan)层上制作一(yi)层铝制导电层，从该导电层上引(yin)出电极(ji)(ji)称(cheng)为(wei)G极(ji)(ji)。P型(xing)(xing)(xing)衬底(di)(di)与(yu)D极(ji)(ji)连(lian)接(jie)(jie)的(de)N型(xing)(xing)(xing)半导体会形(xing)成二(er)极(ji)(ji)管结构(gou)（称(cheng)之为(wei)寄生二(er)极(ji)(ji)管），由于P型(xing)(xing)(xing)衬底(di)(di)通常与(yu)S极(ji)(ji)连(lian)接(jie)(jie)在一(yi)起，所(suo)以增强型(xing)(xing)(xing)NMOS管又可用图2-14 (c)所(suo)示(shi)的(de)符号表示(shi)。

电力场效应管工作原理

增强型NMOS管需要加(jia)合适的电压才能工作。加(jia)有电压的增强型NMOS管如下图(tu)所示，下图(tu)(a)为(wei)结构图(tu)形式(shi)，下图(tu)(b)为(wei)电路(lu)图(tu)形式(shi)。

如上(shang)图(a)所(suo)示，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源E1通(tong)过R1接场效(xiao)应管的(de)D、S极(ji)，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源E2通(tong)过开关(guan)S接场效(xiao)应管的(de)G、S极(ji)。在开关(guan)S断(duan)开时，场效(xiao)应管的(de)G极(ji)无电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，D、S极(ji)所(suo)接的(de)两个(ge)N区(qu)之(zhi)(zhi)间(jian)没有导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)，所(suo)以(yi)两个(ge)N区(qu)之(zhi)(zhi)间(jian)不能(neng)导(dao)通(tong)，ID电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流为0；如果将开关(guan)S闭合，场效(xiao)应管的(de)G极(ji)获得正(zheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，与G极(ji)连(lian)接的(de)铝电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)有正(zheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，由此(ci)产(chan)生(sheng)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场穿过SiO2层(ceng)，将P衬底很多电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子吸(xi)引靠近至SiO2层(ceng)，从(cong)(cong)而在两个(ge)N区(qu)之(zhi)(zhi)间(jian)出现导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)，此(ci)时D、S极(ji)之(zhi)(zhi)间(jian)被加上(shang)正(zheng)向电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，从(cong)(cong)而有ID电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流从(cong)(cong)D极(ji)流入，再经导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)从(cong)(cong)S极(ji)流出。

如果改(gai)变(bian)(bian)(bian)(bian)E2电(dian)(dian)压的大(da)(da)小，即(ji)改(gai)变(bian)(bian)(bian)(bian)G、S极之间的电(dian)(dian)压UGS，与G极相通的铝层(ceng)产生的电(dian)(dian)场(chang)大(da)(da)小就(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)会(hui)(hui)(hui)变(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，SiO2下面的电(dian)(dian)子数量就(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)会(hui)(hui)(hui)变(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，两个N区(qu)之间沟道宽(kuan)度(du)就(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)会(hui)(hui)(hui)变(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，流(liu)过(guo)的ID电(dian)(dian)流(liu)大(da)(da)小就(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)会(hui)(hui)(hui)变(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)。UGS电(dian)(dian)压越高，沟道就(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)会(hui)(hui)(hui)越宽(kuan)，ID电(dian)(dian)流(liu)就(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)会(hui)(hui)(hui)越大(da)(da)。

由此可见，改变(bian)(bian)G、S极(ji)之间的(de)电(dian)压UGS，就能改变(bian)(bian)从(cong)D极(ji)流(liu)向(xiang)S极(ji)的(de)ID电(dian)流(liu)大(da)小，并且(qie)ID电(dian)流(liu)变(bian)(bian)化较UGS电(dian)压变(bian)(bian)化要大(da)得多，这就是场效应(ying)管的(de)放大(da)原理（即电(dian)压控制(zhi)电(dian)流(liu)变(bian)(bian)化原理）。为(wei)了(le)表示场效应(ying)管的(de)放大(da)能力，这里引入一(yi)个参数——跨导gm，gm用下面(mian)的(de)公式计算(suan)：

gm反映了栅源电压Us对漏极电流ID的(de)控制能力(li)，是(shi)表述场效(xiao)应管放大能力(li)的(de)一个重要的(de)参数（相当于三极管的(de)β），gm的(de)单位是(shi)西(xi)门子(S)，也(ye)可以用A/V表示(shi)。

增(zeng)强型(xing)绝缘(yuan)栅(zha)场效应管具(ju)有的特点是(shi)：在G、S极(ji)(ji)之间(jian)未加电(dian)压(ya)(ya)（即UGS=0）时，D、S极(ji)(ji)之间(jian)没有沟道，ID=0；当G、S极(ji)(ji)之间(jian)加上(shang)合适电(dian)压(ya)(ya)（大于开启电(dian)压(ya)(ya)UT）时，D、S极(ji)(ji)之间(jian)有沟道形(xing)成，UGS电(dian)压(ya)(ya)变化时，沟道宽窄会发生变化，ID电(dian)流也会变化。

对于N沟道增强型绝缘栅场效应管，G、S极之间应加正向电压（即UG>Us，UGS= UG-US为正电压），D、S极之间才会形成沟道；对于P沟道增强型绝缘栅场效应管，G、S极之间须加反向电压（即UG

电力场效应管特性

电(dian)力场效应管静态特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)主要指输出特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)和转移特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing), 与静态特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)对应的主 要参数有漏极击穿电(dian)压,漏极额定(ding)电(dian)压,漏极额定(ding)电(dian)流(liu)和栅极开启电(dian)压等.

1、 静态特性

(1) 输出(chu)特(te)性(xing) 输出(chu)特(te)性(xing)即是漏极的伏安特(te)性(xing).特(te)性(xing)曲(qu)线(xian)(xian),如图(tu) 2(b)所示.由图(tu)所见,输出(chu) 特(te)性(xing)分为截止(zhi),饱和(he)与(yu)非(fei)饱和(he) 3 个(ge)区域(yu).这里(li)饱和(he),非(fei)饱和(he)的概念与(yu) GTR 不同(tong). 饱和(he)是指漏极电(dian)流 ID 不随(sui)漏源电(dian)压(ya) UDS 的增加而增加,也就是基本保持不变(bian);非(fei) 饱和(he)是指地 UCS 一(yi)定时(shi),ID 随(sui) UDS 增加呈(cheng)线(xian)(xian)性(xing)关系变(bian)化.

(2) 转移(yi)特(te)性(xing)(xing)(xing) 转移(yi)特(te)性(xing)(xing)(xing)表示(shi)漏(lou)(lou)极(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu) ID 与栅(zha)源之间(jian)电(dian)(dian)(dian)压 UGS 的(de)转移(yi)特(te)性(xing)(xing)(xing)关系(xi)曲线, 如图 2(a) 所示(shi). 转移(yi)特(te)性(xing)(xing)(xing)可表示(shi)出(chu)器(qi)件的(de)放大(da)能力, 并且是(shi)与 GTR 中的(de)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)增益 β 相似. 由于 Power MOSFET 是(shi)压控(kong)器(qi)件,因此用(yong)跨(kua)导(dao)这一参(can)数来(lai)表示(shi).跨(kua)导(dao)定(ding)义为(wei)(wei) (1) 图中 UT 为(wei)(wei)开启电(dian)(dian)(dian)压,只有当 UGS=UT 时才(cai)会(hui)出(chu)现导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道,产生(sheng)漏(lou)(lou)极(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu) ID

2、动(dong)态特性

动态特性(xing)主要(yao)描述输(shu)入量(liang)与(yu)输(shu)出量(liang)之间(jian)(jian)的时间(jian)(jian)关系,它影响器件的开(kai)关过(guo)程.由(you)于该(gai)器件为单极(ji)型,靠多数(shu)载流(liu)子导 电,因此开(kai)关速度快(kuai),时间(jian)(jian)短(duan),一般(ban)在(zai)纳秒数(shu)量(liang)级.

电(dian)力(li)场效应(ying)管(guan)的动(dong)态特性.如图所示(shi).

电(dian)(dian)(dian)力(li)场(chang)(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管的(de)(de)动(dong)态特性用(yong)图(tu) 3(a)电(dian)(dian)(dian)路(lu)测试.图(tu)中(zhong),up 为(wei)(wei)矩(ju)形脉冲电(dian)(dian)(dian)压(ya)信(xin) 号(hao)源;RS 为(wei)(wei)信(xin)号(hao)源内阻;RG 为(wei)(wei)栅极电(dian)(dian)(dian)阻;RL 为(wei)(wei)漏极负载电(dian)(dian)(dian)阻;RF 用(yong)以(yi)检(jian)测漏极 电(dian)(dian)(dian)流. 电(dian)(dian)(dian)力(li)场(chang)(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管的(de)(de)开(kai)关过程波(bo)形,如图(tu) 3(b)所示. 电(dian)(dian)(dian)力(li)场(chang)(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管的(de)(de)开(kai)通(tong)过程:由(you)于电(dian)(dian)(dian)力(li)场(chang)(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管有(you)(you)输入电(dian)(dian)(dian)容,因此当(dang)脉 冲电(dian)(dian)(dian)压(ya) up 的(de)(de)上(shang)(shang)升(sheng)(sheng)沿到来时(shi)(shi)(shi),输入电(dian)(dian)(dian)容有(you)(you)一个充电(dian)(dian)(dian)过程,栅极电(dian)(dian)(dian)压(ya) uGS 按指(zhi)数曲线(xian) 上(shang)(shang)升(sheng)(sheng).当(dang) uGS 上(shang)(shang)升(sheng)(sheng)到开(kai)启电(dian)(dian)(dian)压(ya) UT 时(shi)(shi)(shi),开(kai)始(shi)(shi)形成导电(dian)(dian)(dian)沟道并出现漏极电(dian)(dian)(dian)流 iD.从(cong) up 前沿时(shi)(shi)(shi)刻(ke)到 uGS=UT,且开(kai)始(shi)(shi)出现 iD 的(de)(de)时(shi)(shi)(shi)刻(ke),这段时(shi)(shi)(shi)间称(cheng)为(wei)(wei)开(kai)通(tong)延时(shi)(shi)(shi)时(shi)(shi)(shi)间 td(on).此 后,iD 随 uGS 的(de)(de)上(shang)(shang)升(sheng)(sheng)而上(shang)(shang)升(sheng)(sheng),uGS 从(cong)开(kai)启电(dian)(dian)(dian)压(ya) UT 上(shang)(shang)升(sheng)(sheng)到电(dian)(dian)(dian)力(li)场(chang)(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管临近饱和区 的(de)(de)栅极电(dian)(dian)(dian)压(ya) uGSP 这段时(shi)(shi)(shi)间,称(cheng)为(wei)(wei)上(shang)(shang)升(sheng)(sheng)时(shi)(shi)(shi)间 tr.这样电(dian)(dian)(dian)力(li)场(chang)(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管的(de)(de)开(kai)通(tong)时(shi)(shi)(shi)间：

ton=td(on)+tr(2)

电力场效应管的关断过程:当 up 信号电压下降到 0 时,栅极输入电容上储 存的电荷通过电阻 RS 和 RG 放电,使栅极电压按指数曲线下降,当下降到 uGSP 继 续下降,iD 才开始减小,这段时间称为关断延时时间 td(off).此后,输入电容继续 放电,uGS 继续下降,iD 也继续下降,到 uGST 时导电沟道消失,iD=0, 这段时间称为下降时间 tf.这样 Power MOSFET 的关断时间。

toff=td(off)+tf (3)

从上述分析可(ke)知(zhi),要(yao)提高器件的开(kai)关速度,则必须(xu)减小开(kai)关时(shi)间.在(zai)(zai)输(shu)(shu)入电(dian)(dian) 容一定(ding)(ding)的情况下,可(ke)以通过(guo)(guo)降低驱动(dong)电(dian)(dian)路的内(nei)阻 RS 来加快开(kai)关速度. 电(dian)(dian)力场效应管(guan)晶体(ti)管(guan)是压控器件,在(zai)(zai)静态时(shi)几乎不输(shu)(shu)入电(dian)(dian)流(liu).但在(zai)(zai)开(kai)关过(guo)(guo)程 中,需(xu)(xu)要(yao)对输(shu)(shu)入电(dian)(dian)容进行充放电(dian)(dian),故仍需(xu)(xu)要(yao)一定(ding)(ding)的驱动(dong)功率.工作速度越(yue)快,需(xu)(xu) 要(yao)的驱动(dong)功率越(yue)大。

主要参数

静(jing)态(tai)参数(shu)

(1) 漏(lou)极(ji)击穿电压 BUD BUD 是不(bu)使器(qi)件击穿的(de)极(ji)限参数,它大于漏(lou)极(ji)电压额定值.BUD 随结温的(de)升(sheng)高(gao)(gao)而(er) 升(sheng)高(gao)(gao),这(zhei)点正(zheng)好与 GTR 和(he) GTO 相反.

(2) 漏(lou)极额(e)定(ding)电压 UD UD 是器件的标称额(e)定(ding)值.

(3) 漏极(ji)电(dian)(dian)(dian)流 ID 和(he) IDM ID 是漏极(ji)直流电(dian)(dian)(dian)流的(de)额定参数(shu);IDM 是漏极(ji)脉冲(chong)电(dian)(dian)(dian)流幅值(zhi).

(4) 栅极开启电压 UT UT 又(you)称(cheng)阀值电压,是开通 Power MOSFET 的栅-源电压,它为转(zhuan)移特(te)性的特(te)性曲 线与横轴的交点.施加的栅源电压不能太大(da),否(fou)则(ze)将击穿(chuan)器件.

(5) 跨导(dao) gm gm 是表征 Power MOSFET 栅极控制能力(li)(li)的参数. 三,电(dian)力(li)(li)场效应管的动态特性和主(zhu)要参数

动态参数(shu)

(1) 极间电(dian)容 Power MOSFET 的 3 个极之间分别存在极间电(dian)容 CGS,CGD,CDS.

(2) 漏源电压上升(sheng)率 器(qi)件的动态特(te)性(xing)还受漏源电压上升(sheng)率的限制(zhi),过高的 du/dt 可能导(dao)致电路性(xing) 能变差,甚至引起器(qi)件损(sun)坏。

保护措施及注意事项

电力场效应管的绝缘层易被击穿是它的致(zhi)命弱点,栅源电压一般(ban)不得超过(guo)± 20V.因此(ci),在应用时必(bi)须采(cai)用相应的保护措施.通常有(you)以(yi)下(xia)几种:

(1) 防静电击穿(chuan) 电力场效(xiao)应管最大的(de)优点(dian)是(shi)有(you)极高(gao)的(de)输入阻抗(kang), 因此在(zai)静电较强的(de)场合(he)易(yi)被 静电击穿(chuan).为此,应注意:

①储(chu)存时(shi), 应放在具有屏蔽性(xing)能的(de)容器中, 取用时(shi)工作人(ren)员(yuan)要通过腕带良(liang)好(hao)接(jie)地(di);

②在(zai)器件接(jie)入电路时(shi),工作台(tai)和烙(luo)铁(tie)必须良好接(jie)地(di),且(qie)烙(luo)铁(tie)断(duan)电焊接(jie);

③测试器(qi)件时(shi),仪(yi)器(qi)和工(gong)作台都必须(xu)良好(hao)接地.

(2) 防偶然(ran)性震(zhen)荡损(sun)坏 当输入(ru)电路某些参数不合适(shi)时,可(ke)能引志震(zhen)荡而造(zao)成器件损(sun)坏.为此(ci),可(ke)在 栅极输入(ru)电路中(zhong)串入(ru)电阻.

(3) 防(fang)栅极(ji)过电(dian)压(ya) 可在栅源之间并联(lian)电(dian)阻或约 20V 的(de)稳压(ya)二极(ji)管(guan).

(4) 防漏极(ji)过(guo)(guo)电(dian)流(liu) 由于过(guo)(guo)载或短路都会引起过(guo)(guo)大(da)的电(dian)流(liu)冲(chong)击,超过(guo)(guo) IDM 极(ji)限值,此时必须采用(yong) 快速保护电(dian)路使(shi)用(yong)器件迅(xun)速断(duan)开主回(hui)路

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