从原理到具体电路，深入剖析MOSFET的工作方式.doc

《从原理到具体电路，深入剖析MOSFET的工作方式.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、从原理到具体电路，深入剖析MOSFET的工作方式　　　　1.概述　　MOSFET的原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor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。　　功率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（MetalOxideSemiconductorFET），简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaTIcInducTIonTr

2、ansistor——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。　　　　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。　　2.1功率MOSFET的结构　　功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示

3、；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（VerTIcalMOSFET），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（VerTIcalDouble-diffusedMOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。　　功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（Intern

4、ationalRectifier）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。　　2.2功率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，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

5、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。　　2.3功率MOSFET的基本特性　　2.3.1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

6、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。　　2.3.2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

7、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。　　2.3.3MOSFET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