功率场效应管的原理、几大特性及参数等详解

功率场效应管的原理、特点及参数

功率(lv)场效应管(guan)又叫功率(lv)场控晶体管(guan)。

（一）功率场效应管原理

半导体结构分(fen)析略。本讲义附加了相关资料(liao)，供感兴趣的同事可以查阅。

实际上(shang)，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但(dan)通常指(zhi)后(hou)者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

它又(you)分(fen)为(wei)N沟道、P沟道两种。器件(jian)符号如下(xia)：

N沟(gou)道   P沟(gou)道

图1-3：MOSFET的图形符(fu)号

MOS器(qi)件的电极分别为栅(zha)极G、漏极D、源极S。

和普通MOS管一样，它也有：

耗(hao)尽型：栅极(ji)电(dian)(dian)压为零(ling)时(shi)，即存在导电(dian)(dian)沟道。无论VGS正负都(dou)起控制作用。

增强型：需要正偏置栅(zha)极电(dian)压，才生成导电(dian)沟(gou)道。达到饱(bao)和前，VGS正偏越(yue)(yue)大，IDS越(yue)(yue)大。

一般使用(yong)的功(gong)率MOSFET多数是(shi)N沟(gou)道增(zeng)强型。而且不同于一般小功(gong)率MOS管的横向(xiang)导电结(jie)构，使用(yong)了(le)垂直导电结(jie)构，从而提高了(le)耐压、电流能力，因此又叫(jiao)VMOSFET。

（二）功率场效应管的特点

功率场效应管(guan)，这种(zhong)器(qi)件的特点是(shi)输(shu)入绝缘电(dian)阻大（1万兆欧以上），栅极电(dian)流基本为(wei)零(ling)。

驱动功率小，速度高(gao)(gao)(gao)，安全工作(zuo)区(qu)宽。但高(gao)(gao)(gao)压时，导通电(dian)阻与电(dian)压的平方成(cheng)正比，因而提(ti)高(gao)(gao)(gao)耐压和降(jiang)低高(gao)(gao)(gao)压阻抗困(kun)难。

适合低压100V以(yi)下，是(shi)比较理想的器件。

目前的(de)研制水平在(zai)1000V/65A左右(you)（参考）。

其速(su)度可以(yi)达到(dao)几(ji)百KHz，使用谐振技术可以(yi)达到(dao)兆级。

（三）功率场效应管的参数与器件特性

无(wu)载流子(zi)注入，速度(du)取决于器件的(de)电(dian)容充(chong)放(fang)电(dian)时间，与工作温度(du)关系不大，故(gu)热(re)稳定性好。

（1） 转移特性：

ID随UGS变(bian)化的(de)(de)曲线(xian)，成(cheng)为转移(yi)特性。从下图(tu)可以看到，随着UGS的(de)(de)上(shang)升(sheng)，跨导将越来越高(gao)。

图1-4：MOSFET的转移(yi)特(te)性

（2） 输(shu)出特性（漏(lou)极特性）：

输出特(te)性反应(ying)了(le)漏极电流随(sui)VDS变化的(de)规律。

这(zhei)个特(te)性和VGS又有关(guan)联。下图反映了这(zhei)种规(gui)律(lv)。

图中，爬坡段是非饱和区(qu)，水(shui)平(ping)段为饱和区(qu)，靠(kao)近横轴附近为截(jie)止区(qu)，这(zhei)点和GTR有区(qu)别。

图1-5：MOSFET的输出(chu)特性(xing)

VGS=0时(shi)的(de)饱(bao)和电流称为饱(bao)和漏(lou)电流IDSS。

（3）通态电阻Ron：

通(tong)态(tai)电阻是器件(jian)的一个重要参(can)数，决定了电路输(shu)出电压幅度和损耗(hao)。

该(gai)参数随温度上升(sheng)线性增加。而且VGS增加，通态(tai)电阻(zu)减小。

（4）跨导：

MOSFET的增(zeng)益特性称(cheng)为跨(kua)导。定义为：

Gfs=ΔID/ΔVGS

显然，这个数值越大越好，它(ta)反映了管(guan)子的栅极控制能力。

（5）栅(zha)极阈(yu)值电压

栅(zha)极(ji)(ji)阈值电(dian)压VGS是指开始(shi)有规定的(de)漏极(ji)(ji)电(dian)流（1mA）时(shi)的(de)最低栅(zha)极(ji)(ji)电(dian)压。它具有负温度系数，结温每(mei)增加45度，阈值电(dian)压下(xia)降(jiang)10%。

（6）电容

MOSFET的(de)一(yi)个明(ming)显特点是(shi)三(san)个极(ji)间存(cun)在比(bi)较(jiao)明(ming)显的(de)寄(ji)生电(dian)(dian)容，这些电(dian)(dian)容对开关速(su)度有一(yi)定(ding)影响。偏置(zhi)电(dian)(dian)压高时(shi)，电(dian)(dian)容效应也加大(da)，因(yin)此对高压电(dian)(dian)子系(xi)统会(hui)有一(yi)定(ding)影响。

有些资料给出栅极电荷特性图，可以用于估算电容的影响。以栅源极为例，其特性如下：

可以看到：器件(jian)开(kai)通(tong)延迟(chi)时间内，电荷(he)积聚较(jiao)慢。随着电压(ya)增加(jia)，电荷(he)快(kuai)速上(shang)升，对应着管(guan)子开(kai)通(tong)时间。最后(hou)，当电压(ya)增加(jia)到一定程度后(hou)，电荷(he)增加(jia)再次变慢，此时管(guan)子已经导通(tong)。

图1-6：栅极电荷特性(xing)

（8）正向偏置安(an)全工作区及主要参数

MOSFET和双(shuang)极型晶体(ti)管一样，也有它(ta)(ta)的(de)安全工作(zuo)区。不同的(de)是(shi)，它(ta)(ta)的(de)安全工作(zuo)区是(shi)由(you)四根线围成(cheng)的(de)。

最大(da)漏极(ji)电(dian)流IDM：这个参数反应了(le)器(qi)件(jian)的(de)电(dian)流驱(qu)动(dong)能力。

最大漏源极电(dian)压VDSM：它由器件(jian)的反向击穿(chuan)电(dian)压决定。

最(zui)大漏极功耗(hao)PDM：它(ta)由管子(zi)允许(xu)的温升决定。

漏源(yuan)通态(tai)(tai)电阻(zu)Ron：这是MOSFET必须考虑(lv)的一(yi)个参数，通态(tai)(tai)电阻(zu)过高，会(hui)影(ying)响输(shu)出(chu)效(xiao)率，增加损耗。所以，要根据使用要求加以限制。

图(tu)1-7：正向偏置安全工作区

功率场效应管与双极型功率晶体管特性比较

1、驱(qu)动方式：场效应(ying)管(guan)是电(dian)压驱(qu)动，电(dian)路(lu)设计比较(jiao)简单，驱(qu)动功(gong)率小；功(gong)率晶体管(guan)是电(dian)流(liu)驱(qu)动，设计较(jiao)复杂，驱(qu)动条(tiao)件(jian)选择(ze)困难，驱(qu)动条(tiao)件(jian)会影响开关速度(du)。

2、开(kai)关速(su)度(du)：场(chang)效应管(guan)无(wu)少数载(zai)流(liu)子存(cun)储(chu)效应，温度(du)影响(xiang)小(xiao)，开(kai)关工作(zuo)频率(lv)可达150KHz以(yi)上；功率(lv)晶体管(guan)有少数载(zai)流(liu)子存(cun)储(chu)时间(jian)限(xian)制其开(kai)关速(su)度(du)，工作(zuo)频率(lv)一般不超过50KHz。

3、安全工(gong)作区(qu)：功率场(chang)效应管(guan)(guan)无二次(ci)击(ji)穿(chuan)(chuan)，安全工(gong)作区(qu)宽；功率晶体管(guan)(guan)存在二次(ci)击(ji)穿(chuan)(chuan)现象，限制(zhi)了(le)安全工(gong)作区(qu)。

4、导体电(dian)压：功率(lv)场(chang)效应管(guan)(guan)属于高电(dian)压型，导通电(dian)压较高，有(you)正温度系数(shu)；功率(lv)晶(jing)体管(guan)(guan)无论耐(nai)电(dian)压的高低(di)，导体电(dian)压均较低(di)，具有(you)负(fu)温度系数(shu)。

5、峰值电(dian)流(liu)：功率场(chang)效应管(guan)在(zai)开关电(dian)源中用做开关时，在(zai)启(qi)动和稳(wen)态工作(zuo)时，峰值电(dian)流(liu)较低；而(er)功率晶体(ti)管(guan)在(zai)启(qi)动和稳(wen)态工作(zuo)时，峰值电(dian)流(liu)较高(gao)。

6、产品成(cheng)本(ben)：功率(lv)场效应管的成(cheng)本(ben)略(lve)高；功率(lv)晶体(ti)管的成(cheng)本(ben)稍低。

7、热击(ji)穿(chuan)(chuan)效(xiao)应：功率场效(xiao)应管(guan)无热击(ji)穿(chuan)(chuan)效(xiao)应；功率晶体管(guan)有(you)热击(ji)穿(chuan)(chuan)效(xiao)应。

8、开(kai)关(guan)损(sun)耗：场效应(ying)管的(de)开(kai)关(guan)损(sun)耗很小；功率晶(jing)体管的(de)开(kai)关(guan)损(sun)耗比较大。

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