电力电子半导体器件(MOSFET).
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第五章 功率场效应晶体管 （Power MOSFET)
TO-92
TO-126
TO-220F TO-247AC
§5.1 结构与工作原理
一、普通MOSFET基本结构 特点：单极型电压控制器件，具有自关断能力，驱动功率小 工作速度高，无二次击穿问题，安全工作区宽。 1．N沟道MOSFET 工作原理：
D
①VGS=0，无导电沟道。
Vi
②关断时间： toff ts t f
存储时间 下降时间
影响因素：CDS，负载电阻RD
2．极间电容：CGS，CGD，CDS
CGS，CGD取决于管子几何形状， 绝缘层厚度等物理尺寸，数值 稳定，几乎不变化。 CDS由PN结形成，取决于沟道 面积，反偏程度，受电压、温 度变化影响。 一般： 输入电容：Ciss CGS CGD 输出电容：Coss CDS CGD 反馈电容：Crss CGD *VDS越大，极间电容越小；低压下使用时，开关时间加大， 工作频率受限制。*开关速度与寄生电容充放电时间有关。
二、功率MOSFET：
如何获得高耐压、大电流器件？ 对比GTR，GTR在功率领域获得突破的原因： ①垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大， 很薄，电流容量很大。
② N-漂移区：集电区加入轻掺杂N-漂移区，提高耐压。
③双重扩散技术：基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。 ④ 集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性 好，在较小体积下，输出功率较大。
（一）VMOSFET： 保留MOSFET的优点，驱动功率小；吸收GTR优点，扩 展功率，主要工艺： ①垂直导电结构；② N-漂移区；③双重扩散技术； 1．VVMOSFET：美国雷达半导体公司1975年推出 特点：
①VGS加电压后，形成反型层沟道，电流 垂直流动。
②漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积 ③N-漂移区，提高耐压，降低CGD电容。 ④双重扩散可精确控制沟道长度。
可变电阻区：ID随 VDS线性变化区， VGS越大，沟道电 阻越小。
雪崩区：击穿区， VDS增大，使漏 极PN结击穿。
BVDS
VDS
夹断区：截止区，VGS<VT（开启电压） 无反型层，ID电流为0。
2．饱和特性：MOSFET饱和导通特性
特点：
导通时，沟道电阻较大， 饱和压降较大。不像GTR有 超量存储电荷，是单极型器 件，没有载流子存储效应。 使用时，尽量减小沟道电 阻，一般，增大VGS电压， 可使沟道电阻减小。
反型层建立所需最低栅源电压。 定义：工业上，在漏源短接条件下，ID=1mA时的栅极电压。
VT随结温Tj变化，呈负温度系数，Tj每增高45OC，VT下降10%，
-6.7mV/OC。 ③漏极击穿电压BVDS： 功率MOSFET的最高工作电压，使用时留有余量；加吸收回路限 制。具有正温度系数，Tj升高100OC， BVDS增大10%。
3．转移特性：ID与VGS关系曲线
定义：跨导gm，表示MOSFET的放大能力，提高宽/长比，可 增大gm。
V GS（OFF） 夹断电压
g m I D
VGS
Байду номын сангаас（S）
增强型
耗尽型
开启电压
转移特性
gm—VGS关系曲线
4．静态参数：
①通态电阻Ron： 定义：在规定VGS下，MOSFET由可变电阻区进入饱和区时的直
多元集成结构使沟道缩短，减小载流子渡越时间，并联结 构，允许很多载流子同时渡越，开通时间大大缩短，ns级。
§5.2 MOSFET特性与参数
一、静态特性与参数 输出特性、饱和特性、转移特性及通态电阻、开启电压、 跨导、最大电压定额、最大电流定额。 1．输出特性：
饱和区：放大区，随VGS增大， ID电流恒流区域。
④栅源击穿电压BVGS：
一般+20V，由于SiO2层极薄，VGS过高会发生介电击穿。 ⑤最大漏极电流IDM：受沟道宽度限制，使用时留有余量。
二、动态特性与参数
1．开关过程与开关时间： MOSFET为单极型器件，多数载流子导电，本身电阻效应 和渡越效应对开关过程影响很小，开关速度很高，ns级（典型 值20 ns） Vi上升到VT 延迟时间 上升时间 ①开通时间： ton td tr 影响因素：VT，CGS，CGD及 信号源上升时间、内阻。
②VGS>0，反型层出现， 形成N沟道，电子导电。
S G
类型：增强型，耗尽型
增强型
２.P沟道MOSFET：空穴导电
D
D
分类：增强型，耗尽型
G G
S
S
增强型
3．存在问题：平面型结构
耗尽型
S、G、D处于同一平面，电流横向流动，电流容量不可能 太大；要获得大功率，可增大沟道宽/长比（W/L），但沟道 长度受工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此 管子功率小，大功率难实现。
流电阻。它决定管子发热，影响输出功率，通态压降。
Ron组成：
反型层沟道电阻rCH
栅漏积聚区电阻rACC FET夹断区电阻rjFET
轻掺杂区电阻rD
增大VGS，可减小rCH和rjFET
rD减小和提高耐压相矛盾。
Ron与器件耐压、温度关系：
器件耐压越高， Ron越大。随温度升高， Ron增大。
②开启电压VT：阈值电压
缺点：V型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进：U型MOSFET。
2．VDMOSFET：垂直导电的双扩散MOS结构 沟道部分是由同一扩散窗利用 两次扩散形成的P型体区和N+型源 区的扩散深度差形成的，沟道长度 可以精确控制——双重扩散。
电流在沟道内沿着表面流动， 然后垂直地被漏极吸收。由于漏极 也是从硅片底部引出，所以可以高 度集成化。 漏源间施加电压后，由于耗尽层的 扩展，使栅极下的MOSFET部分几乎保 持一定的电压，于是可使耐压提高。 在此基础上，各种性能上不断改进， 出现新结构：TMOS、HEXFET、 SIPMOS、π -MOS等。
G
D
寄生二极管
S
（二）多元集成结构 将成千上万个单元MOSFET（单元胞）并联连接形成。
特点：
①降低通态电阻，有利于电流提高。 多元集成结构使每个MOSFET单元沟道长度大大缩短，并联 后，沟道电阻大大减小，对提高电流大为有利。 如：IRF150N沟道MOSFET，通态电阻0.045Ω
②提高工作频率，改善器件性能。
TO-92
TO-126
TO-220F TO-247AC
§5.1 结构与工作原理
一、普通MOSFET基本结构 特点：单极型电压控制器件，具有自关断能力，驱动功率小 工作速度高，无二次击穿问题，安全工作区宽。 1．N沟道MOSFET 工作原理：
D
①VGS=0，无导电沟道。
Vi
②关断时间： toff ts t f
存储时间 下降时间
影响因素：CDS，负载电阻RD
2．极间电容：CGS，CGD，CDS
CGS，CGD取决于管子几何形状， 绝缘层厚度等物理尺寸，数值 稳定，几乎不变化。 CDS由PN结形成，取决于沟道 面积，反偏程度，受电压、温 度变化影响。 一般： 输入电容：Ciss CGS CGD 输出电容：Coss CDS CGD 反馈电容：Crss CGD *VDS越大，极间电容越小；低压下使用时，开关时间加大， 工作频率受限制。*开关速度与寄生电容充放电时间有关。
二、功率MOSFET：
如何获得高耐压、大电流器件？ 对比GTR，GTR在功率领域获得突破的原因： ①垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大， 很薄，电流容量很大。
② N-漂移区：集电区加入轻掺杂N-漂移区，提高耐压。
③双重扩散技术：基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。 ④ 集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性 好，在较小体积下，输出功率较大。
（一）VMOSFET： 保留MOSFET的优点，驱动功率小；吸收GTR优点，扩 展功率，主要工艺： ①垂直导电结构；② N-漂移区；③双重扩散技术； 1．VVMOSFET：美国雷达半导体公司1975年推出 特点：
①VGS加电压后，形成反型层沟道，电流 垂直流动。
②漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积 ③N-漂移区，提高耐压，降低CGD电容。 ④双重扩散可精确控制沟道长度。
可变电阻区：ID随 VDS线性变化区， VGS越大，沟道电 阻越小。
雪崩区：击穿区， VDS增大，使漏 极PN结击穿。
BVDS
VDS
夹断区：截止区，VGS<VT（开启电压） 无反型层，ID电流为0。
2．饱和特性：MOSFET饱和导通特性
特点：
导通时，沟道电阻较大， 饱和压降较大。不像GTR有 超量存储电荷，是单极型器 件，没有载流子存储效应。 使用时，尽量减小沟道电 阻，一般，增大VGS电压， 可使沟道电阻减小。
反型层建立所需最低栅源电压。 定义：工业上，在漏源短接条件下，ID=1mA时的栅极电压。
VT随结温Tj变化，呈负温度系数，Tj每增高45OC，VT下降10%，
-6.7mV/OC。 ③漏极击穿电压BVDS： 功率MOSFET的最高工作电压，使用时留有余量；加吸收回路限 制。具有正温度系数，Tj升高100OC， BVDS增大10%。
3．转移特性：ID与VGS关系曲线
定义：跨导gm，表示MOSFET的放大能力，提高宽/长比，可 增大gm。
V GS（OFF） 夹断电压
g m I D
VGS
Байду номын сангаас（S）
增强型
耗尽型
开启电压
转移特性
gm—VGS关系曲线
4．静态参数：
①通态电阻Ron： 定义：在规定VGS下，MOSFET由可变电阻区进入饱和区时的直
多元集成结构使沟道缩短，减小载流子渡越时间，并联结 构，允许很多载流子同时渡越，开通时间大大缩短，ns级。
§5.2 MOSFET特性与参数
一、静态特性与参数 输出特性、饱和特性、转移特性及通态电阻、开启电压、 跨导、最大电压定额、最大电流定额。 1．输出特性：
饱和区：放大区，随VGS增大， ID电流恒流区域。
④栅源击穿电压BVGS：
一般+20V，由于SiO2层极薄，VGS过高会发生介电击穿。 ⑤最大漏极电流IDM：受沟道宽度限制，使用时留有余量。
二、动态特性与参数
1．开关过程与开关时间： MOSFET为单极型器件，多数载流子导电，本身电阻效应 和渡越效应对开关过程影响很小，开关速度很高，ns级（典型 值20 ns） Vi上升到VT 延迟时间 上升时间 ①开通时间： ton td tr 影响因素：VT，CGS，CGD及 信号源上升时间、内阻。
②VGS>0，反型层出现， 形成N沟道，电子导电。
S G
类型：增强型，耗尽型
增强型
２.P沟道MOSFET：空穴导电
D
D
分类：增强型，耗尽型
G G
S
S
增强型
3．存在问题：平面型结构
耗尽型
S、G、D处于同一平面，电流横向流动，电流容量不可能 太大；要获得大功率，可增大沟道宽/长比（W/L），但沟道 长度受工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此 管子功率小，大功率难实现。
流电阻。它决定管子发热，影响输出功率，通态压降。
Ron组成：
反型层沟道电阻rCH
栅漏积聚区电阻rACC FET夹断区电阻rjFET
轻掺杂区电阻rD
增大VGS，可减小rCH和rjFET
rD减小和提高耐压相矛盾。
Ron与器件耐压、温度关系：
器件耐压越高， Ron越大。随温度升高， Ron增大。
②开启电压VT：阈值电压
缺点：V型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进：U型MOSFET。
2．VDMOSFET：垂直导电的双扩散MOS结构 沟道部分是由同一扩散窗利用 两次扩散形成的P型体区和N+型源 区的扩散深度差形成的，沟道长度 可以精确控制——双重扩散。
电流在沟道内沿着表面流动， 然后垂直地被漏极吸收。由于漏极 也是从硅片底部引出，所以可以高 度集成化。 漏源间施加电压后，由于耗尽层的 扩展，使栅极下的MOSFET部分几乎保 持一定的电压，于是可使耐压提高。 在此基础上，各种性能上不断改进， 出现新结构：TMOS、HEXFET、 SIPMOS、π -MOS等。
G
D
寄生二极管
S
（二）多元集成结构 将成千上万个单元MOSFET（单元胞）并联连接形成。
特点：
①降低通态电阻，有利于电流提高。 多元集成结构使每个MOSFET单元沟道长度大大缩短，并联 后，沟道电阻大大减小，对提高电流大为有利。 如：IRF150N沟道MOSFET，通态电阻0.045Ω
②提高工作频率，改善器件性能。