功率MOS场效应晶体管基础知识分析

功率MOS场效应晶体管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

分类

功率MOS场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

种类

功率MOS场效应晶体管的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。

工作原理

截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面

当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

基本特性

静态特性

其转移特性和输出特性如图2所示。

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs

MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

动态特性

其测试电路和开关过程波形如图3所示。

开通过程；开通延迟时间td（on） —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段；

上升时间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；

iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。

开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。

关断延迟时间td（off） —up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。

下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS

关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。

开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10—100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。

场控器件静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

动态性能改进

在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握在应用中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶闸管是两个双极型晶体管的组合，又加上因大面积带来的大电容，所以其dv/dt能力是较为脆弱的。对di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的限制。

功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒（而不是每微秒）的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以理解。

图4是功率MOSFET的结构和其相应的等效电路。除了器件的几乎每一部分存在电容以外，还必须考虑MOSFET还并联着一个二极管。同时从某个角度看、它还存在一个寄生晶体管。（就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样）。这几个方面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。

首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。

功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻RB尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因dv/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFET带来损坏。所以考虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容（它是dv/dt的通道）都必须予以注意。

瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视。对器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。

对比

功率MOSFET场效应管从驱动模式上看，属于电压型驱动控制元件，驱动电路的设计比较简单，所需驱动功率很小。采用功率MOSFET场效应作为开关电源中的功率开关，在启动或稳态工作条件下，功率MOSFET场效应管的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。功率场效应管与双极型功率晶体管之间的特性比较如下：

1. 驱动方式：场效应管是电压驱动，电路设计比较简单，驱动功率小；功率晶体管是电流驱动，设计较复杂，驱动条件选择困难，驱动条件会影响开关速度。

2. 开关速度：场效应管无少数载流子存储效应，温度影响小，开关工作频率可达150KHz以上；功率晶体管有少数载流子存储时间限制其开关速度，工作频率一般不超过50KHz。

3. 安全工作区：功率场效应管无二次击穿，安全工作区宽；功率晶体管存在二次击穿现象，限制了安全工作区。

4. 导体电压：功率场效应管属于高电压型，导通电压较高，有正温度系数；功率晶体管无论耐电压的高低，导体电压均较低，具有负温度系数。

5. 峰值电流：功率场效应管在开关电源中用做开关时，在启动和稳态工作时，峰值电流较低；而功率晶体管在启动和稳态工作时，峰值电流较高。

6. 产品成本：功率场效应管的成本略高；功率晶体管的成本稍低。

7. 热击穿效应：功率场效应管无热击穿效应；功率晶体管有热击穿效应。

8. 开关损耗：场效应管的开关损耗很小；功率晶体管的开关损耗比较大。

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