电力电子半导体器件(MOSFE

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1、第五章功率场效应晶体管（PowerMOSFET)TO-247ACTO-220FTO-92TO-126§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：①VGS=0，无导电沟道。②VGS>0，反型层出现，形成N沟道，电子导电。GDS类型：增强型，耗尽型增强型２.P沟道MOSFET：空穴导电分类：增强型，耗尽型GDSGDS增强型耗尽型3．存在问题：平面型结构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），

2、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。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。②N-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；②N-漂移区；③双重扩散技术

3、；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。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

4、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。GDS寄生二极管（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0.045Ω②提高工作频率，改善器件性能。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。§5.2MOSFET

5、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：夹断区：截止区，VGS

6、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。（S）转移特性gm—VGS关系曲线增强型耗尽型开启电压夹断电压VGS（OFF）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rACCFET夹断区电阻rjFET轻掺杂区电阻rD增大VGS，可减小rCH和rjFETrD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：阈值电压反型层建立所需最低栅源

7、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%。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：MOS