电力场效应晶体管技术进展与应用探析

电力场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），简称功率MOSFET。它是一种单极型电压控制器件，具有输入阻抗高（可达40 MΩ以上）、工作速度快（开关频率可达500 kHz以上）、驱动功率小且驱动电路简单、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区（SOA）宽等优点。目前功率MOSFET的耐压可达1 000 V，电流为200 A，开关时间仅为13 ns。因此，它在小容量机器人传动装置、荧光灯镇流器及各类开关电路中应用极为广泛。

2.5.1 功率MOSFET的结构和工作原理

功率MOSFET种类和结构繁多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型；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的称为增强型。在功率MOSFET中，主要是N沟道增强型。

功率MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型器件。其导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。而目前功率MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。这大大提高了MOSFET器件的耐压和通流能力。按垂直导电结构的差异，功率MOSFET又分为利用V形槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。这里主要以VDMOSFET器件为例进行讨论。

图2-16（a）为常用的功率MOSFET的外形，图2-16（b）给出了N沟道增强型功率MOSFET的结构，图2-16（c）为功率MOSFET的电气图形符号，其引出的三个电极分别为栅极G、漏极D和源极S。

图2-16 功率MOSFET的外形、结构和电气图

当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，P基区和N漂移区之间的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极之间加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有栅极电流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面P型区中的少数载流子（电子）吸引到栅极下面的P型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面P型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型半导体，沟通了漏极和源极（注意这时整个源极到漏极的区间均为N型半导体，因此电流既可以从源极流向漏极，也可以从漏极流向源极。），形成漏极电流ID，电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。

功率MOSFET也是多元集成结构，一个器件由许多个小MOSFET元组成。功率MOSFET的多元结构使每个MOSFET元的沟道长度大为缩短，而且所有MOSFET的沟道并联，势必使沟道电阻大幅度减小，从而使得在同样的额定结温下，器件的通流能力大大提高。此外，沟道长度的缩短，使载流子的渡越时间减小，又因为所有MOSFET单元的沟道都是并联的，所以，允许很多的载流子同时渡越，使器件的开通时间缩短，提高了工作频率，改善了器件性能。

2.5.2 功率MOSFET的基本特性

1.静态特性

转移持性是指功率场效应管的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。如图2-17（a）所示。当UGS＜UT时，ID近似为0，当UGS>UT时，随着UGS的增大ID也随之增大，当ID较大时，ID与UGS的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为跨导g。

图2-17（b）是功率MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看到我们所熟悉的截止区、饱和区、非饱和区三个区域。这里饱和与非饱和的概念与晶体管不同。饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。功率MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回切换。

图2-17 功率MOSFET的正向特性

顺便指出从图2-16（b）中功率MOSFET的基本结构可以看到其漏极、源极之间有寄生二极管（称为寄生体二极管），漏极、源极间加反向电压时器件导通，因此功率MOSFET可看作是逆导器件。使用功率MOSFET时应注意这个寄生二极管的影响。

2.动态特性

用图2-18（a）所示电路来测试功率MOSFET的开关特性。图中uP为矩形脉冲电压信号源，SR为信号源内阻，GR为栅极电阻，LR为漏极负载电阻，FR用于检测漏极电流。(www.xing528.com)

信号源产生阶跃脉冲电压，当其前沿到来时，极间电容Cin充电，栅极电压uGS按指数曲线上升，如图2-18（b）所示，当uGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流Di，从uP前沿到iD出现这段时间称为开通延迟时间td(on)。之后，Di随uGS增大而上升，漏极电流从零上升到稳态值所用时间称为上升时间tr，开通时间ton表示为

当脉冲电压uP下降到零时，栅极输入电容通过信号源内阻 RS和栅极电阻 RG开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，漏极电流iD才开始减小，这段时间称为关断延迟时间td(off)。此后极间电容继续放电，uGS从UGSP继续下降，iD减小，到 uGS ＜UT 时沟道消失，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff表示为

功率MOSFET是单极型器件，只有多子参与导电，不存在少子储存效应。因而关断过程非常迅速，是常用电力电子器件中最快的。

图2-18 功率MOSFET开关过程

3.功率MOSFET的主要参数

1）漏极额定电压UDS

这是标称功率场效应管的电压定额的参数。

2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM

在器件内部温度不超过最高工作温度时，功率MOSFET允许通过的最大漏极连续电流和脉冲电流称为漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM。这是功率MOSFET的电流定额的参数。

3）栅源击穿电压UBGS

栅源之间的绝缘层很薄，超过20 V将导致绝缘层击穿。规定了最大栅源击穿电压UBGS极限值为20 V。

4）极间电容

功率场效应管的三个极间分别存在极间电容CGS、CGD以及CDS；而一般生产厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。它们之间的关系是

5）通态电阻Ron

通常规定在确定的栅极电压UGS下，功率MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。它是影响最大输出功率的重要参数。在开关电路中，它决定了信号输出幅度和自身损耗，还直接影响器件的通态压降。一般其值较小，仅为毫欧级。但器件的电压等级越高，其值会越大。