12第3章MOSFET

MOSFET第1页《现代电力电子器件》第三章电力MOSFETMOSFET第2页本章内容MOSFET的结构、原理、静态特性、动态特性、主要参数MOSFET的驱动特性、栅极驱动电路MOSFET的集成驱动电路MOSFET的并联应用、过压保护、过流保护、静电保护MOSFET第3页3.lMOSFET的基本结构与工作原理1、概述★绝缘栅型中的MOS型电力场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFET)简称电力MOSFET(PowerMOSFET)。★结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）。●特点——用栅极电压来控制漏极电流。☆输入阻抗高，驱动电流小，驱动功率小，驱动电路简单；☆开关速度快，工作频率高；☆热稳定性优于GTR；☆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。MOSFET第4页●电力MOSFET的种类：★按导电沟道可分为P沟道和N沟道★按栅极是否掺杂可分为耗尽型和增强型★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.★电力MOSFET主要是N沟道增强型（常态关断）。2、小功率MOSFET结构特点和工作原理：（1）结构：图5-1是N沟道增强型MOSFET的结构示意图。插图1是N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图。MOSFET第5页★MOS结构——金属(M)极、氧化膜绝缘层(O)、半导体(S)硅片。★MOSFET只有一种载流子(N沟道时是电子，P沟道时是空穴)，从源极(S)出发经漏极(D)流出。SGDN+N+PN沟道插图1N沟道耗尽型MOSFET(SiO2绝缘层中掺入Na+、K+等离子)MOSFET第6页（2）工作原理：1）栅极电压为零(VGS＝0)时：漏-源间PN结反向偏置，漏源间施加电压，不会造成P区内载流子移动，即器件保持关断状态。2）栅极加正向电压(VGS＞0)：★P区电子被吸向硅表面，栅极下面的硅表面开始出现耗尽区（即电子与空穴复合），接着出现负电荷(电子数空穴数)，硅的表面从P型反型成N型，该反型层称作沟道。SDGMOSFET第7页★此时，沟道处两个PN结消失，将两个N+区连通，在电压VDS的作用下，电子可以从源极、经过沟道、移动到漏极，形成漏极电流ID。3）栅极加反向电压(VGS＜0时，则与2)情况相反，在栅极下面的硅表面上因感应而产生空穴，故没有ID电流流过。SDGMOSFET第8页（3）小功率MOSFET结构特点★从图5-1可见，传统MOSFET把源极、栅极、漏极都安装在硅片的同一侧面，因而MOSFET中的电流是横向流动的，电流容量不可能太大，漏-源极耐压不可能太高。★要想获得大功率，必须有很高的沟道宽长比(W/J)，而沟道长度L受制版和光刻工艺的限制不可能做得很小，因而只好增加管芯面积，这是不经济的甚至是难以实现的。3、MOSFET提高功率的措施★由垂直导电结构组成的场效应晶体管称为VMOSFET。VMOSFET在传统MOS器件基础上进行了四项重大改革：MOSFET第9页(1)垂直导电：在硅片底面上安装漏极，充分利用硅片面积，实现垂直传导漏源电流，降低了串联电阻值，为获得大电流容量提供了前提条件。(2)设置高电阻率N—漂移区：不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定。(3)双重扩散技术：代替光刻工艺控制沟道长度，实现精确的短沟道制作，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出持性具有良好的线性。(4)采用多元集成结构。相当于多个单元并联，增加沟道宽度。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19MOSFET第10页4、电力MOSFET的结构●经历了VVMOSFET、VDMOSFET及沟槽型MOSFET的发展三个阶段。（1）VVMOSFET，即垂直V型槽功率MOSFET。VV分别代表垂直（Vertical）和V型槽（V-groove）。●VVMOSFET存在V型槽沟道底部电场集中的缺点，于是出现了将V型槽改为U型槽的结构。MOSFET第11页4、电力MOSFET的结构（2）VDMOSFET●通常电力MOSFET多为VDMOSFET，多元集成结构。VD表示垂直导电、双重扩散。●不同的生产企业，各单元形状不同：–★国际整流器公司的HEXFET采用了六边形单元–★西门子公司的SIPMOSFET采用了正方形单元–★摩托罗拉公司的TMOS采用了矩形单元、按“品”字形排列–★单元数量约几千~几万个N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19MOSFET第12页（3）沟槽型MOSFET（TrenchMOSFET)●近年来，为了减少VDMOSFET的导通电阻，出现了沟槽型MOSFET。●采用腐蚀挖沟槽的方法，把VDMOSFET原有的“T”字形导电通道，变为两条平行的导电通道。●低通态电阻的MOSFET，近年来被用于低输出直流电压的同步整流电路中，代替二极管，减少变换器的功率损耗。MOSFET第13页电力MOSFET的多元集成结构：MOSFET第14页（4）电力MOSFET的等值电路结构：以VDMOS器件为例讨论，结构如图5-5所示。●从结构上看，器件中隐含着一个寄生三极管N+PN-N+，由于源极S金属将N+和P区短路，因此源-漏极间形成一个寄生二极管PN-N+，它使得电力MOSFET不具有反向阻断能力。如插图2所示。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19MOSFET第15页N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19插图2电力MOSFET的寄生二极管图5-5电力MOSFET的结构和电气图形符号MOSFET第16页5、电力MOSFET的工作原理★导电机理与小功率MOS管相同，虽然结构上有较大区别。★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。（1）截止：栅-源极间电压为零（UGS=0），漏-源极间加正电源。P基区与N—区之间形成的PN结J1反偏，漏-源极之间无电流流过。（2）导电：栅-源极间加正电压UGS0。因栅极绝缘，不会有栅极电流。但栅极正电压会将其下面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UGSUT（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。MOSFET第17页6、电力MOSFET的特点(1)开关速度高：多数载流子导电，无固有存储时间，开关速度由极间寄生电容决定，故开关时间短，约为50~100ns，工作频率高，可达100k~几MHz。(2)驱动功率小：电压控制型器件，栅极与器件主体隔离，故驱动电流（功率）很小，驱动电路简单，可直接用CMOS、TTL、IC等驱动。(3)安全工作区宽：无二次击穿现象，与电力GTR相比SOA更大，更稳定耐用，所需缓冲电路参数也小。(4)过载能力强：短时过电流可达额定值的4倍。(5)抗干扰能力强：开启电压一般为2~6V，有很高的噪声容限和抗干扰能力。(6)并联容易：通态电阻有正的温度系数，热稳定性好，易于并联均流。MOSFET第18页7、多元集成结构的影响●多单元并联集成结构使沟道宽度大大增加；●可降低通态电阻，提高通态漏极电流；●使载流子的渡越时间大为减小，且允许很多的载流子同时渡越，所以，器件的开通时间极短，提高了工作频率，改善了器件的性能。MOSFET第19页3.2特性与参数3.2.1静态特性与参数●静态特性主要指电力MOSFET的输出特性、饱和特性、转移特性，与静态特性相关的参数主要有通态电阻，开启电压、跨导、最大电压额定值，最大电流额定值等。3．2．1.1MOSFET的伏安特性（输出特性）：1、定义：输出特性是指以栅-源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏-源电压UDS之间关系的曲线族，称为电力MOSFET的输出特性。见图5-6（N沟道增强型）2、区域：输出特性分四个区域：非饱和区Ⅰ、饱和区Ⅱ、雪崩区Ⅲ和截止区Ⅳ。MOSFET第20页(1)非饱和区Ⅰ：又称可变电阻区，（对应于GTR的饱和区）。▲非饱和：在一定的栅压UGS下，沟道宽度不变；由于漏源电压UDS较小，对沟道的影响较小，此时漏流ID几乎与漏源电压UDS呈线性关系，UDS增加，ID也增加，处于非饱和状态。▲可变电阻：当栅压UGS变化时，沟道宽度变化，导致沟道电阻及曲线斜率变化，所以该区也称为可变电阻区。▲当UDS较大时，情况有所不同，UDS的增加引起靠近漏区一端的沟道变窄，使ID的增加速度变缓，曲线出现弯曲，逐渐进入饱和区Ⅱ。图5-6电力MOSFET的输出特性ⅣUDSUGS1UGS2UGS4UGS3UGS5ⅢⅡⅠMOSFET第21页N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图5-6电力MOSFET的输出特性ⅣUDSUGS1UGS2UGS4UGS3UGS5ⅢⅡⅠMOSFET第22页(2)饱和区Ⅱ：又称为恒流区，（对应于GTR的放大区）。▲夹断：在该区内，随着UDS的增加，靠近漏区一端的沟道被夹断。▲夹断区电流：夹断区的电阻较沟道电阻大的多，这样当漏源电压UDS增加时，所增加的部分主要降落在夹断区上，使夹断区具有很强的电场，可把沟道中漂移过来的电子拉倒漏区去。▲沟道电流：沟道两端的电压基本不变，因此沟道中的电场基本不变，沟道中的电流即漏极电流ID几乎保持恒定，所以该区称为饱和区。▲漏极电流大小：该区内漏极电流ID的大小主要由栅源电压UGS决定。MOSFET第23页（3）雪崩区Ⅲ：也叫击穿区。▲若漏源电压UDS过高，使漏极PN结发生雪崩击穿，漏极电流ID突然增加，曲线上弯进入雪崩区。▲应避免发生这种情况，否则会使器件损坏。（4）截止区Ⅳ：（对应于GTR的截止区）是指在栅极电压小于开启电压或施加反偏栅压时，沟道没有形成，当外加漏源电压UDS时，漏极电流ID几乎为零。这时器件处于截止状态。●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。MOSFET第24页3.2.1.2饱和特性1、电力MOSFET的饱和特性：(虽然处在非饱和区，也称饱和特性)●相同漏流ID下，栅压UGS越小，饱和压降UDS越大。原因：栅压UGS越小,沟道越窄，阻抗越大，UDS越大。●与GTR相比，饱和压降也大的多。原因：它是单极型器件，与GTR不同，没有超量存储电荷，没有载流子的存储效应；也没有PN结正向导通时的电导调制效应，所以通态电阻较大，饱和压降也较大。为了降低通态电阻在设计上要采取一些措施。MOSFET第25页2、电力MOSFET的通态电阻Ron：（1）通态电阻Ron的规定条件：●通常规定在确定的栅源电压VGS下，电力MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。●Ron是重要参数。在电路中它决定信号输出幅度和自身损耗，直接影响器件的通态压降，影响最大输出功率。（2）通态电阻Ron的组成：●器件结构不同，计算方法也不同。●以美国Motorola公司的TMOS器件为例。Ron由四部分组成：沟道电阻RCH，栅漏积聚区电阻RACC，夹断区电阻RJFET，轻掺杂漏极区电阻RD，如图5-8所示。Ron=RCH+RACC+RJFET+RDMOSFET第26页●影响通态电阻Ron的结构因素：★沟道电阻，随沟道长度增加而增加；★夹断电阻，随沟道宽度增加而减小。★轻掺杂漏极区电阻RD，随电阻率高、厚度大而增加，但可以提高器件的耐压能力。可见对耐压和Ron的要求互相矛盾。MOSFET第27页●影响通态电阻Ron的外部因素：①Ron具有正温度系数：