功率场效应管的原理、特点、参数及对比等详解

功(gong)率MOS场(chang)(chang)效应(ying)(ying)晶(jing)体管(guan)，即(ji)MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属(shu)(shu)氧化(hua)(hua)物半导(dao)体），FET（Field Effect Transistor场(chang)(chang)效应(ying)(ying)晶(jing)体管(guan)），即(ji)以(yi)金属(shu)(shu)层(ceng)（M）的栅极隔着氧化(hua)(hua)层(ceng)（O）利(li)用(yong)电场(chang)(chang)的效应(ying)(ying)来控制(zhi)半导(dao)体（S）的场(chang)(chang)效应(ying)(ying)晶(jing)体管(guan)。

功率场效应管原理

半导体结构分析(xi)略。本讲义附加了相(xiang)关(guan)资料(liao)，供感兴趣的同事(shi)可(ke)以(yi)查(cha)阅。

实际(ji)上(shang)，功率场效应管也分结型、绝(jue)缘栅型。但通(tong)常指后者中的MOS管，即(ji)MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

它又分为N沟(gou)道(dao)、P沟(gou)道(dao)两种。器(qi)件符(fu)号如下：

N沟道(dao)与P沟道(dao)

图(tu)1-3：MOSFET的图(tu)形符号

MOS器件的电极(ji)(ji)分别为栅极(ji)(ji)G、漏极(ji)(ji)D、源极(ji)(ji)S。

和普通MOS管一样，它也(ye)有(you)：

耗尽(jin)型：栅极电(dian)压(ya)为零时，即存在导电(dian)沟道。无论VGS正负都起(qi)控制作用。

增(zeng)强(qiang)型：需(xu)要(yao)正(zheng)偏置(zhi)栅极电(dian)压(ya)，才生成导电(dian)沟道。达到饱和(he)前，VGS正(zheng)偏越大(da)，IDS越大(da)。

一(yi)(yi)般使用的(de)(de)功率MOSFET多数(shu)是(shi)N沟道增(zeng)强型。而且不同于一(yi)(yi)般小功率MOS管的(de)(de)横向导电(dian)结构，使用了垂直导电(dian)结构，从而提高(gao)了耐压、电(dian)流能力，因此又叫(jiao)VMOSFET。

功率场效应管的特点

这(zhei)种器件的特(te)点(dian)是输入绝缘电(dian)阻大（1万兆(zhao)欧以上(shang)），栅极电(dian)流基本为零。

驱(qu)动功率小，速度高(gao)(gao)，安全工作(zuo)区(qu)宽。但高(gao)(gao)压(ya)(ya)时(shi)，导通电阻与电压(ya)(ya)的平方成(cheng)正比，因而提高(gao)(gao)耐压(ya)(ya)和降低高(gao)(gao)压(ya)(ya)阻抗困难。

适(shi)合(he)低压100V以下，是比较理想的器件(jian)。

目(mu)前(qian)的(de)研制(zhi)水平在1000V/65A左右（参(can)考(kao)）。

其速度(du)可(ke)以达到(dao)几百KHz，使用(yong)谐振(zhen)技(ji)术(shu)可(ke)以达到(dao)兆级。

功率场效应管的参数与器件特性

无载流子(zi)注入(ru)，速度取决于器件的电容充放电时间(jian)，与工作(zuo)温度关(guan)系不大，故热稳定性好。

（1） 转移特性：

ID随UGS变化的曲(qu)线，成为转移特(te)性。从下(xia)图可以看到，随着(zhe)UGS的上升，跨(kua)导将(jiang)越(yue)来越(yue)高。

（2） 输出特(te)性（漏极特(te)性）：

输(shu)出特(te)性反(fan)应了漏极(ji)电流随VDS变化(hua)的规(gui)律。

这个(ge)特性和VGS又有关(guan)联。下图反映了这种规律。

图中，爬坡段是非饱和区，水平段为饱和区，靠近横轴附近为截止区，这(zhei)点和GTR有区别。

VGS=0时的饱和电流称为饱和漏电流IDSS。

（3）通态电阻Ron：

通态电阻是(shi)器件(jian)的(de)一(yi)个(ge)重要参数(shu)，决定(ding)了电路输出(chu)电压幅(fu)度(du)和(he)损耗(hao)。

该参数随温度上(shang)升线性(xing)增加。而(er)且VGS增加，通态电(dian)阻减小。

（4）跨(kua)导(dao)：

MOSFET的增益特(te)性称为跨导。定(ding)义为：

Gfs=ΔID/ΔVGS

显然，这个数(shu)值越大越好(hao)，它反映了(le)管子的(de)栅极(ji)控制能力。

（5）栅极阈(yu)值电(dian)压

栅(zha)极阈(yu)值电(dian)(dian)压VGS是(shi)指(zhi)开始有(you)规定的漏极电(dian)(dian)流(liu)（1mA）时(shi)的最低栅(zha)极电(dian)(dian)压。它具(ju)有(you)负温度系数，结(jie)温每增加45度，阈(yu)值电(dian)(dian)压下降10%。

（6）电容(rong)

MOSFET的一(yi)个明(ming)显(xian)特(te)点(dian)是三个极间存在(zai)比较明(ming)显(xian)的寄(ji)生电容，这些电容对开(kai)关速度有(you)一(yi)定影(ying)响。偏置电压(ya)高(gao)时，电容效应也(ye)加大，因此对高(gao)压(ya)电子系统会有(you)一(yi)定影(ying)响。  

有些资料给出(chu)栅极(ji)电(dian)荷(he)特性(xing)图，可以用于估(gu)算电(dian)容的影响。以栅源极(ji)为(wei)例，其特性(xing)如下：

可以看到：器件开通延(yan)迟时间内，电荷积聚(ju)较慢。随着(zhe)电压增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，电荷快速上升，对应着(zhe)管子开通时间。最(zui)后，当电压增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到一定程度后，电荷增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)再次变慢，此时管子已经导通。

（8）正向偏置(zhi)安全工作区及主要(yao)参数

MOSFET和(he)双极型晶(jing)体管一样(yang)，也有它的(de)安全工作(zuo)区(qu)。不同(tong)的(de)是，它的(de)安全工作(zuo)区(qu)是由(you)四根线围成的(de)。

最大漏极电流IDM：这个参数反应了器件的电流驱动能力(li)。

最大漏源极电压(ya)VDSM：它由器件的反向击(ji)穿电压(ya)决定。

最大漏极(ji)功耗PDM：它由管子允许的温(wen)升决定(ding)。

漏(lou)源通(tong)态(tai)电(dian)阻Ron：这是(shi)MOSFET必须考(kao)虑的一个参数，通(tong)态(tai)电(dian)阻过高，会影响输出效率，增加(jia)损(sun)耗。所以，要(yao)根据使用要(yao)求加(jia)以限制。

功率场效应管对比

功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)MOSFET场(chang)效(xiao)(xiao)应(ying)管从(cong)驱(qu)动(dong)模(mo)式上看，属(shu)于电(dian)压型(xing)驱(qu)动(dong)控制元件(jian)，驱(qu)动(dong)电(dian)路的设(she)计比(bi)较(jiao)简单，所需驱(qu)动(dong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)很小(xiao)。采用功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)MOSFET场(chang)效(xiao)(xiao)应(ying)作为(wei)开(kai)(kai)关电(dian)源中的功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)开(kai)(kai)关，在启(qi)动(dong)或稳(wen)态工(gong)作条件(jian)下(xia)，功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)MOSFET场(chang)效(xiao)(xiao)应(ying)管的峰值电(dian)流(liu)要(yao)比(bi)采用双极(ji)型(xing)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)晶体管小(xiao)得(de)多。功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)场(chang)效(xiao)(xiao)应(ying)管与双极(ji)型(xing)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)晶体管之(zhi)间(jian)的特性比(bi)较(jiao)如下(xia)：

1. 驱动(dong)方式：场(chang)效应管是(shi)(shi)电压驱动(dong)，电路设计(ji)比较简单，驱动(dong)功率小；功率晶体(ti)管是(shi)(shi)电流驱动(dong)，设计(ji)较复杂，驱动(dong)条件选择困难，驱动(dong)条件会影(ying)响开关速度。

2. 开关(guan)速度(du)：场效应管(guan)无少数载流子存(cun)储效应，温度(du)影响小，开关(guan)工作(zuo)频率可达(da)150KHz以上；功率晶体管(guan)有(you)少数载流子存(cun)储时间限制其(qi)开关(guan)速度(du)，工作(zuo)频率一般(ban)不(bu)超过50KHz。

3. 安全(quan)工(gong)作(zuo)(zuo)区(qu)：功(gong)率(lv)(lv)场(chang)效应管无二(er)次(ci)击穿(chuan)，安全(quan)工(gong)作(zuo)(zuo)区(qu)宽；功(gong)率(lv)(lv)晶体(ti)管存(cun)在二(er)次(ci)击穿(chuan)现象，限制了安全(quan)工(gong)作(zuo)(zuo)区(qu)。

4. 导(dao)体(ti)电(dian)(dian)压：功(gong)率(lv)(lv)场效应(ying)管(guan)属于(yu)高电(dian)(dian)压型(xing)，导(dao)通电(dian)(dian)压较(jiao)高，有(you)(you)正温度(du)(du)系(xi)数(shu)；功(gong)率(lv)(lv)晶体(ti)管(guan)无论(lun)耐(nai)电(dian)(dian)压的高低，导(dao)体(ti)电(dian)(dian)压均较(jiao)低，具有(you)(you)负温度(du)(du)系(xi)数(shu)。

5. 峰(feng)值(zhi)电(dian)流(liu)：功(gong)率场(chang)效(xiao)应(ying)管在开(kai)关电(dian)源中(zhong)用做开(kai)关时(shi)，在启动和(he)稳(wen)(wen)态工作(zuo)(zuo)时(shi)，峰(feng)值(zhi)电(dian)流(liu)较(jiao)低(di)；而功(gong)率晶体管在启动和(he)稳(wen)(wen)态工作(zuo)(zuo)时(shi)，峰(feng)值(zhi)电(dian)流(liu)较(jiao)高。

6. 产品成本：功率场效应管(guan)的(de)成本略高；功率晶体管(guan)的(de)成本稍低。

7. 热(re)击(ji)穿效应(ying)(ying)：功率(lv)场效应(ying)(ying)管无热(re)击(ji)穿效应(ying)(ying)；功率(lv)晶体(ti)管有热(re)击(ji)穿效应(ying)(ying)。

8. 开关(guan)损(sun)耗：场效应管的(de)(de)开关(guan)损(sun)耗很小；功率晶(jing)体管的(de)(de)开关(guan)损(sun)耗比较大(da)。

联系方(fang)式(shi)：邹先生

联系电(dian)话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地(di)址：深圳(zhen)市福田(tian)区车(che)公(gong)庙(miao)天安(an)数码城天吉大厦CD座5C1

请搜(sou)微(wei)信(xin)公(gong)众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关(guan)注(zhu)”官(guan)方微(wei)信(xin)公(gong)众号

请“关(guan)注”官方微信公(gong)众号:提(ti)供 MOS管 技术帮助