1、什么是MOSFET
MOSFET的中文名称是功率场效应晶体管,是Metal Oxide Semiconductor和Field Effect Transistor的缩写,
2、功率MOSFET的结构和工作原理
功率MOSFET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。
功率MOSFET的结构
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 ,大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异,又分为利用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),本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
功率场效应管的工作原理
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,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。
功率MOSFET的基本特性
静态特性MOSFET的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MOSFET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<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。
MOSFET的开关速度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。