[精选]1.5功率场效应晶体管、1.6绝缘栅双极型晶体管--资料

1.5 功率场效应晶体管—全控型
1.5.1 P-MOSFET的结构与工作原理 1.5.2 P-MOSFET的基本特性 1.5.3 P-MOSFET的主要参数 1.5.4 P-MOSFET的安全工作区 1.5.5 P-MOSFET的门极驱动电路
1.5 功率场效应晶体管—全控型
功率场效应晶体管( Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
是单极型、全控型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理
P-MOSFET的结构
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）。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电 的 VVMOSFET 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 MOS 结 构 的 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
当UGS大于UT时，P型半导体反型成 N型，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 。
UGS数值越大，P-MOSFET导电能力 越强，ID也就越大。
S G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
N+
D a)
1.5.2 P-MOSFET的基本特性
1）静态特性
(1) 转移特性（Transfer 50
P-MOSFET的结构
源极
S
栅极 S
G
SiO2
G绝缘层
S
G
D
D
D
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N+
P N+
沟道N+N+PPNN+ +N沟- 道
N+
N+
N+
PPN+
N+
N-
漏极
D
外延漂移层
D
衬底
a)
a)
N+ P
G
G
G沟道
N-G
N+
S
S
S
D N沟道
N 沟道
P沟道
b)
b)
图1-19 功率MOSFE图T1-的19 结构和电气图形符号
D
S P 沟道
分为结型和绝缘栅型
通 常 主 要 指 绝 缘 栅 型 中 的 MOS 型 （ Metal Oxide Semiconductor FET）
简称功率MOSFET（Power MOSFET）
结型电力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
关断过程
+UE
up
RL
O
iD
uuGGSSP
uT
Rs up
O
RG uGS RF iD信号
iD
O td(on)
tr
t
t
td(off) tf
t
关断延迟时间td(off)
a）
b)
U
高电平
p
，Cin放电，UGS
，iD不变
下降时间tf
td(off )时iD 图，预1-夹21断，P-MOSFET的开关过程
1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理
P-MOSFET的工作原理
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
则栅极上的正电压将其下面的P基区 中的空穴推开，而将（少子）电子 吸引到栅极下的P基区的表面，
Characteristic）
40
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（小）时，ID与UGS的关 系近似（非）线性，曲线的斜 率（微变量之比）定义为跨导
ID/A
30
20 △ID
10
△UGS
0
2 UT 4 6 8
UGS/V
Gfs。
图1-20 功率MOSFET的转移特性
P-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。
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。
功率MOSFET的芯片内部结构
芯片照片
源极 栅极
Ｎ
Ｎ
Ｐ
Ｎ－
Ｎ＋
漏极
断面
1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理
1.5.2 P-MOSFET的基本特性
1）静态特性
(2) 输出特性
漏极电流ID和漏源间电压UDS的关系称 为MOSFET的输出特性，即漏极伏安特 性。
分为四个区：非饱和区（可变电阻区）、 饱和区（恒流区）、击穿区（雪崩区）、
ID/A
50 非
饱 40 和
UGS=8V
区
30
饱和区 UGS=7V
击 穿
区
1.5.2 P-MOSFET的基本特性
2) 动态特性
开通过程
U p ，Cin充电，UGS UT时，导电沟道，iD iD 预夹断，Cin仍充电，UGS 稳定，iD不变
开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间ton——开通延迟 时间与上升时间之和
ton＝ td(on) ＋ tr
20
UGS=6V
10
UGS=5V
UGS=4V
0 10 20 30 40 50 UDS/V
截止区
UGS=UT=3V
截止区（UGS低于开启电压）
图1-20 P-MOSFET的输出特性
工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
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。
通态电阻，具有正温度系数的直流电阻，对器件并联时的均流有利。
第一章 电力半导体器件
1.0 电力电子器件 概述 1.1 功率二极管 1.2 晶闸管 1.3 可关断晶闸管(GTO) 1.4 电力晶体管(GTR) 1.5 功率场效应晶体管(P-MOSFET) 1.6 绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 1.7 电力电子器件散热、串并联及缓冲保护
驱动电路简单，需要的驱动功率小。(绝缘栅、电压控制器件) 开关速度快，工作频率高。(只有多数载流子，无少数载流子积蓄 效应) 安全区宽，热稳定性优于GTR。（没有类似GTR的二次击穿） 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 。
1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理
关断时间toff——关断延迟 时间和下降时间之和
toff＝ td(off) ＋ tf
UCiGnS仍放U电T时，a，u)Up开导—GS关电脉继特沟冲续性道信，R测消号夹G—试源失断栅电，，区极路Ri上D电＝ s—升b0阻)信，开，号i关D 源过内程阻波，形 RL—负载电阻，RF—检测漏极电流