第6章 电力场效应晶体管MOSFET
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+ UE RL iD Rs up up O uGS uGSP uT O iD Ot d(on) tr td(off) tf t
• 关断延迟时间 td(off) ——up 下降到
零起， uGS 按指数曲线下降到 UGSP 时，iD开始减小止的时间段。 • 下降时间 tf—— uGS 从 UGSP 继续下 降起， iD 减小，到 uGS<UT 时沟道 消失，iD下降到零为止的时间段。 • 关断时间 toff—— 关断延迟时间和 下降时间之和。
20 10 0 2 UT 4 6 UGS/ V a) 8
50 非 饱 40 和 区 30 20 10 0
UGS=8V UGS=7V UGS=6V UGS=5V UGS=4V
饱和区
• 功率 MOSFET 的通态电阻具有正 图1-20 温度系数，对器件并联时的均流 功率MOSFET的转移特性和输出特性 有利。
2、结温的影响。
功率MOSFET的结温对CSOA没有直接影响，但是器件的电压和电流直接受结
温高低的影响。
3、线路引线电感的影响。
电路中的引线电感在二极管反向恢复过程会产生反电势，使器件承受很高的峰 值电压。二极管换向速度越快或引线电感越大，器件承受的峰值电压越高。过高的 电压使对器件CSOA的要求更加苛刻。为此，应尽量缩短电路引线，以便使引线电 感减到最小值。在实际使用中，引线电感可限制在100-200mH之间。
– 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结消失，漏极和源极导电 。
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
沟道 N+ D a)
图6.1 功率MOSFET的结构和电气图形符号 图1-19
由于MOSFET的开关功率很高，若带电感负载运行时必然使 器件在关断过程中承受很高的再加电压，即dUDS/dt 。
——器件的动态dUDS/dt耐量与本身的耐压水平密切相关。耐压越高， dUDS/dt的耐量越大。
2、动态参数
2) 二极管恢复dUDS/dt
功率MOSFET体内有一反并联二极管存在，此二极管在关断
RG uGS R F iD信号
t
t
a） 图1-21
b)
图6.3 功率MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形 up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻， RL—负载电阻，RF—检测漏极电流
• 开通时间 ton——开通延迟时间 与上升时间之和。
6.2
关断过程
功率MOSFET的基本特性
6.4
功率MOSFET的安全工作区
3、换向安全工作区（CSOA）
表示功率MOSFET内寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定 的极限工作范围。 在换向速度 di / dt 一定时，它用漏极 正向电压（亦即二极管反向电压）和二极 管正向电流的安全运行极限来表示。 影响二极管反向恢复性能的主要参 数是反向恢复电荷。此电荷越多，反向
• • • • 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。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW 的功率电子装臵 。
第 6章
功率场效应晶体管MOSFET
功率MOSFET的种类
• 按导电沟道可分为P沟道和N沟道 • 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道
G fs I D U GS
——它反映转移特性的斜率。
4) 漏极击穿电压UDS
它是为了避免器件进入雪崩区而设的极限参数，决定了功率 MOSFET的最高工作电压。
——UDS的大小取决于漏极PN结的雪崩击穿能力和栅极对沟道、漏区 反偏结电场的影响等因素。
6.3
功率MOSFET的主要参数
6) 栅源击穿电压UGS
6.5
功率MOSFET的栅极驱动电路
1、栅极驱动的特点
功率MOSFET是单极型器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗
高。因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但是它的极间电容 较大，因而工作速度与驱动源内阻抗有关。 （1）驱动电路简单 功率MOSFET在稳定状态下工作时，
＋ UDD 1.6mH
• 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
6.1
MOSFET的结构和工作原理
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
功率MOSFET的结构
沟道 N+ D a)
图6.1 功率MOSFET 的结构和电气图形符号 图1-19 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。
过程中存在反向恢复时间。过大的反向电流有可能使其产生类似
二次击穿的雪崩现象，或是缩小功率MOSFET的安全工作区。
——为了限制二极管反向恢复 dUDS/dt，可采用串并联缓冲电路来抑制其 大小，也可采用专门设计的特殊电路。
6.4
功率MOSFET的安全工作区
功率MOSFET是单极型器件，它几乎没有二次击穿问题，因
a) 转移特性 b) 输出特性
10 20 30 40 50 UGS=UT=3V 截止区 UDS/ V b)
6.2
2、动态特性
开通过程
功率MOSFET的基本特性
• 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。
a）
RG uGS R F iD信号
t
t
b) 图1-21
图6.3 功率MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形 up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻， RL—负载电阻，RF—检测漏极电流
6.3
功率MOSFET的主要参数
1、静态参数 1) 通态电阻Ron
在确定的栅压UGS下，由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻。
此它具有非常宽的安全工作区。由于功率MOSFET的通态电阻Ron 较大，因此器件在低压段的安全工作区不仅受最大电流的限制， 还要受到自身功耗的影响 。 功率MOSFET开关频率高，经常处于动态过程中，它的安全 工作区分为三种情况： 正向偏臵安全工作区、开关安全工作区和换向安全工作区 。
6.4
功率MOSFET的安全工作区
6.1
MOSFET的结构和工作原理
• 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结反偏，漏源极之间无电流流过。
功率MOSFET的工作原理
• 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。
– 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。
Rs up
+ UE RL iD
up O uGS uGSP uT O iD Ot d(on) tr td(off) tf t
30 20 10
ID较大时，ID与UGS的关
系近似线性，曲线的斜
0
率定义为跨导Gfs。
10 20 30 40 50 UGS=UT=3V 截止区 UDS/V b)
图6.2 功率MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
6.2
功率MOSFET的基本特性
MOSFET的漏极伏安特性：
它是为了防止绝缘层会因栅源电压过高而发生介电击穿而设 定的参数。
——栅源之间的绝缘层很薄， UGS>20V将导致绝缘层击穿 。
6) 最大漏极电流IDM
它是表征功率MOSFET的电流容量的参数。
——它的测量条件为UGS＝10V， IDM为某个适当的数值。
6.3
功率MOSFET的主要参数
1) 动态dUDS/dt
图中所示为直流和脉宽分别为 10ms、1ms及100 s 等四种情况的 安全工作区。
102
103
U DS (V)
图6.4 功率MOSFET的FBSOA曲线
6.4
功率MOSFET的安全工作区
2、开关安全工作区（SSOA）
表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围，如图6.6所示。
I DM
40 ID ( A)
第 6章
功率场效应晶体管MOSFET
6.1 MOSFET的结构和工作原理 6.2 功率MOSFET的基本特性 6.3 功率MOSFET的主要参数 6.4 功率MOSFET的安全工作区 6.5 功率MOSFET的栅极驱动电路
第 6章
功率场效应晶体管MOSFET
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor——FET） 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） 特点——用栅极电压来控制漏极电流
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。
功率MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
• 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
I FM ( A)
15 10 5
di / dt 100 A / s
B A
di / dt 200 A / s
0
20
40
60 U R (V )
电流则越大，功率MOSFET的换向也
越困难，即安全工作区越小。
图6.6 MTP3066型功率 MOSFET的CSOA曲线
6.4
功率MOSFET的安全工作区
6.2 1、 静态特性
功率MOSFET的基本特性
50
漏极电流 ID 和栅源间电
ID/A
40
ID/A
压 UGS 的 关 系 称 为 MOSFET的转移特性。
50 非 饱 40 和 区 30 20 10 2 UT 4 6 UGS/V a) 图1-20 8 0 饱和区
UGS=8V UGS=7V UGS=6V UGS=5V UGS=4V
实际应用中应注意的问题：
1、栅源极间电阻 RGs 或电感 LGS 的影响。
如果 RGs 或 LGS 过大，由于二极管反向恢复产生的 dU DS / dt 可能使U GS U GS (Th )， 从而使功率MOSFET导通。有时虽不能使功率MOSFET导通但可能使其进入放大 状态，延缓二极管反向恢复时间。
• 截止区（对应于GTR的截止区） • 饱和区（对应于GTR的放大区）
I D/A
50 40
I D/A
• 非饱和区（对应于GTR的饱和区） 30 • 功率 MOSFET 工作在开关状态， 即在截止区和非饱和区之间来回 转换。 • 功率 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。
栅极无电流流过；只有在动态开关过程
中才有电流出现，因而所需驱动功ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ小， 栅极驱动电路简单。
SSOA由最大峰值漏极电流
TJ ＜ 150 C
（一般是直流值的2-4倍），最小漏源 TJM U DS 极击穿电压 和最高结温 所决定。
20
0
200
400
UDS ( V)
图中所示SSOA曲线的应用条件 是：结温小于150℃ ，器件的开通与 图6.5 功率MOSFET的SSOA曲线
关断时间小于1 s 。
1、正向偏臵安全工作区（FBSOA）
正向偏臵安全工作区如图6.4所示，它由四条边界线包围而成。
（Ⅰ）－漏源通态电阻限制线
（Ⅱ）－最大漏极电流限制线 （Ⅲ）－最大功耗限制线 （Ⅳ）－最大漏源极电压限制线
0.1 1 10
I D(A)
（Ⅱ）
（Ⅰ）
（Ⅲ）
100 s
s s 1m m 10 C D
1
（Ⅳ）
10
——它是影响最大输出功率的重要参数，在开关电路中决定了输出幅
度和自身损耗的大小。
2) 开启电压UT
是指沟道体区表面发生强反型层所需的最低栅极电压，即表示
反型层形成的条件。
——它的大小与耗尽区内单位面积的空间电荷数量有关，也与氧化膜中单 位面积的正电荷数量有关。
6.3
功率MOSFET的主要参数
3) 跨导Gfs
• 关断延迟时间 td(off) ——up 下降到
零起， uGS 按指数曲线下降到 UGSP 时，iD开始减小止的时间段。 • 下降时间 tf—— uGS 从 UGSP 继续下 降起， iD 减小，到 uGS<UT 时沟道 消失，iD下降到零为止的时间段。 • 关断时间 toff—— 关断延迟时间和 下降时间之和。
20 10 0 2 UT 4 6 UGS/ V a) 8
50 非 饱 40 和 区 30 20 10 0
UGS=8V UGS=7V UGS=6V UGS=5V UGS=4V
饱和区
• 功率 MOSFET 的通态电阻具有正 图1-20 温度系数，对器件并联时的均流 功率MOSFET的转移特性和输出特性 有利。
2、结温的影响。
功率MOSFET的结温对CSOA没有直接影响，但是器件的电压和电流直接受结
温高低的影响。
3、线路引线电感的影响。
电路中的引线电感在二极管反向恢复过程会产生反电势，使器件承受很高的峰 值电压。二极管换向速度越快或引线电感越大，器件承受的峰值电压越高。过高的 电压使对器件CSOA的要求更加苛刻。为此，应尽量缩短电路引线，以便使引线电 感减到最小值。在实际使用中，引线电感可限制在100-200mH之间。
– 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结消失，漏极和源极导电 。
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
沟道 N+ D a)
图6.1 功率MOSFET的结构和电气图形符号 图1-19
由于MOSFET的开关功率很高，若带电感负载运行时必然使 器件在关断过程中承受很高的再加电压，即dUDS/dt 。
——器件的动态dUDS/dt耐量与本身的耐压水平密切相关。耐压越高， dUDS/dt的耐量越大。
2、动态参数
2) 二极管恢复dUDS/dt
功率MOSFET体内有一反并联二极管存在，此二极管在关断
RG uGS R F iD信号
t
t
a） 图1-21
b)
图6.3 功率MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形 up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻， RL—负载电阻，RF—检测漏极电流
• 开通时间 ton——开通延迟时间 与上升时间之和。
6.2
关断过程
功率MOSFET的基本特性
6.4
功率MOSFET的安全工作区
3、换向安全工作区（CSOA）
表示功率MOSFET内寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定 的极限工作范围。 在换向速度 di / dt 一定时，它用漏极 正向电压（亦即二极管反向电压）和二极 管正向电流的安全运行极限来表示。 影响二极管反向恢复性能的主要参 数是反向恢复电荷。此电荷越多，反向
• • • • 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。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW 的功率电子装臵 。
第 6章
功率场效应晶体管MOSFET
功率MOSFET的种类
• 按导电沟道可分为P沟道和N沟道 • 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道
G fs I D U GS
——它反映转移特性的斜率。
4) 漏极击穿电压UDS
它是为了避免器件进入雪崩区而设的极限参数，决定了功率 MOSFET的最高工作电压。
——UDS的大小取决于漏极PN结的雪崩击穿能力和栅极对沟道、漏区 反偏结电场的影响等因素。
6.3
功率MOSFET的主要参数
6) 栅源击穿电压UGS
6.5
功率MOSFET的栅极驱动电路
1、栅极驱动的特点
功率MOSFET是单极型器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗
高。因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但是它的极间电容 较大，因而工作速度与驱动源内阻抗有关。 （1）驱动电路简单 功率MOSFET在稳定状态下工作时，
＋ UDD 1.6mH
• 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
6.1
MOSFET的结构和工作原理
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
功率MOSFET的结构
沟道 N+ D a)
图6.1 功率MOSFET 的结构和电气图形符号 图1-19 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。
过程中存在反向恢复时间。过大的反向电流有可能使其产生类似
二次击穿的雪崩现象，或是缩小功率MOSFET的安全工作区。
——为了限制二极管反向恢复 dUDS/dt，可采用串并联缓冲电路来抑制其 大小，也可采用专门设计的特殊电路。
6.4
功率MOSFET的安全工作区
功率MOSFET是单极型器件，它几乎没有二次击穿问题，因
a) 转移特性 b) 输出特性
10 20 30 40 50 UGS=UT=3V 截止区 UDS/ V b)
6.2
2、动态特性
开通过程
功率MOSFET的基本特性
• 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。
a）
RG uGS R F iD信号
t
t
b) 图1-21
图6.3 功率MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形 up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻， RL—负载电阻，RF—检测漏极电流
6.3
功率MOSFET的主要参数
1、静态参数 1) 通态电阻Ron
在确定的栅压UGS下，由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻。
此它具有非常宽的安全工作区。由于功率MOSFET的通态电阻Ron 较大，因此器件在低压段的安全工作区不仅受最大电流的限制， 还要受到自身功耗的影响 。 功率MOSFET开关频率高，经常处于动态过程中，它的安全 工作区分为三种情况： 正向偏臵安全工作区、开关安全工作区和换向安全工作区 。
6.4
功率MOSFET的安全工作区
6.1
MOSFET的结构和工作原理
• 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结反偏，漏源极之间无电流流过。
功率MOSFET的工作原理
• 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。
– 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。
Rs up
+ UE RL iD
up O uGS uGSP uT O iD Ot d(on) tr td(off) tf t
30 20 10
ID较大时，ID与UGS的关
系近似线性，曲线的斜
0
率定义为跨导Gfs。
10 20 30 40 50 UGS=UT=3V 截止区 UDS/V b)
图6.2 功率MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
6.2
功率MOSFET的基本特性
MOSFET的漏极伏安特性：
它是为了防止绝缘层会因栅源电压过高而发生介电击穿而设 定的参数。
——栅源之间的绝缘层很薄， UGS>20V将导致绝缘层击穿 。
6) 最大漏极电流IDM
它是表征功率MOSFET的电流容量的参数。
——它的测量条件为UGS＝10V， IDM为某个适当的数值。
6.3
功率MOSFET的主要参数
1) 动态dUDS/dt
图中所示为直流和脉宽分别为 10ms、1ms及100 s 等四种情况的 安全工作区。
102
103
U DS (V)
图6.4 功率MOSFET的FBSOA曲线
6.4
功率MOSFET的安全工作区
2、开关安全工作区（SSOA）
表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围，如图6.6所示。
I DM
40 ID ( A)
第 6章
功率场效应晶体管MOSFET
6.1 MOSFET的结构和工作原理 6.2 功率MOSFET的基本特性 6.3 功率MOSFET的主要参数 6.4 功率MOSFET的安全工作区 6.5 功率MOSFET的栅极驱动电路
第 6章
功率场效应晶体管MOSFET
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor——FET） 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） 特点——用栅极电压来控制漏极电流
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。
功率MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
• 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
I FM ( A)
15 10 5
di / dt 100 A / s
B A
di / dt 200 A / s
0
20
40
60 U R (V )
电流则越大，功率MOSFET的换向也
越困难，即安全工作区越小。
图6.6 MTP3066型功率 MOSFET的CSOA曲线
6.4
功率MOSFET的安全工作区
6.2 1、 静态特性
功率MOSFET的基本特性
50
漏极电流 ID 和栅源间电
ID/A
40
ID/A
压 UGS 的 关 系 称 为 MOSFET的转移特性。
50 非 饱 40 和 区 30 20 10 2 UT 4 6 UGS/V a) 图1-20 8 0 饱和区
UGS=8V UGS=7V UGS=6V UGS=5V UGS=4V
实际应用中应注意的问题：
1、栅源极间电阻 RGs 或电感 LGS 的影响。
如果 RGs 或 LGS 过大，由于二极管反向恢复产生的 dU DS / dt 可能使U GS U GS (Th )， 从而使功率MOSFET导通。有时虽不能使功率MOSFET导通但可能使其进入放大 状态，延缓二极管反向恢复时间。
• 截止区（对应于GTR的截止区） • 饱和区（对应于GTR的放大区）
I D/A
50 40
I D/A
• 非饱和区（对应于GTR的饱和区） 30 • 功率 MOSFET 工作在开关状态， 即在截止区和非饱和区之间来回 转换。 • 功率 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。
栅极无电流流过；只有在动态开关过程
中才有电流出现，因而所需驱动功ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ小， 栅极驱动电路简单。
SSOA由最大峰值漏极电流
TJ ＜ 150 C
（一般是直流值的2-4倍），最小漏源 TJM U DS 极击穿电压 和最高结温 所决定。
20
0
200
400
UDS ( V)
图中所示SSOA曲线的应用条件 是：结温小于150℃ ，器件的开通与 图6.5 功率MOSFET的SSOA曲线
关断时间小于1 s 。
1、正向偏臵安全工作区（FBSOA）
正向偏臵安全工作区如图6.4所示，它由四条边界线包围而成。
（Ⅰ）－漏源通态电阻限制线
（Ⅱ）－最大漏极电流限制线 （Ⅲ）－最大功耗限制线 （Ⅳ）－最大漏源极电压限制线
0.1 1 10
I D(A)
（Ⅱ）
（Ⅰ）
（Ⅲ）
100 s
s s 1m m 10 C D
1
（Ⅳ）
10
——它是影响最大输出功率的重要参数，在开关电路中决定了输出幅
度和自身损耗的大小。
2) 开启电压UT
是指沟道体区表面发生强反型层所需的最低栅极电压，即表示
反型层形成的条件。
——它的大小与耗尽区内单位面积的空间电荷数量有关，也与氧化膜中单 位面积的正电荷数量有关。
6.3
功率MOSFET的主要参数
3) 跨导Gfs