功率MOSFET的特性及其电学参数分析

1.输出特性

图3-8所示为功率MOSFET的输出特性曲线，它是以栅源电压U_GS为参变量、反映漏极电流I_D与漏源电压U_DS间关系的曲线族。

输出特性可分成非饱和区、饱和区和截止区3个区域来考虑。

当0＜U_DS＜U_DSsat时处于非饱和区，其中U_DSsat为饱和漏源电压，具体又可分为两段。U_DS很小时，从源到漏的压降差很小，可以忽略不计，沟道可等效为电阻，I_D随U_DS线性增大，称为线性区；随着U_DS增加，从源到漏的压降差变大，不可忽略，沟道厚度逐渐减薄，相当于沟道电阻增大，I_D随U_DS增大的速率变慢，称为可调电阻区。

图3-8 功率MOSFET的输出特性曲线

定义增益因子

式中，μ_n为沟道中的电子迁移率；W／L为沟道的宽长比；C_ox为栅氧化层电容。

在线性区，即U_DS≪U_GS-U_T，满足如下关系

I_D＝β（U_GS-U_T）U_DS

可见I_D随U_DS线性增加。

在可调电阻区，即U_DS＜U_GS-U_T，满足萨支唐方程

当U_DS＝U_DSsat时处于饱和区，漏端沟道反型层消失，沟道在漏端被夹断，I_D基本不随U_DS而变化，达到饱和。此时U_DS≥U_GS-U_T，满足

当U_DS＞U_GS-U_T时，沟道区压降仍U_DSsat为，（U_DS-U_DSsat）这部分电压降落在沟道夹断点与漏区之间的耗尽层上，I_Dsat保持不变。

当0＜U_GS＜U_T时处于截止区，栅源电压低于阈值电压，半导体表面处于弱反型状态，I_D很小，主要是PN结的反向泄漏电流。

如果施加在漏源之间的电压超过了漏区PN结的雪崩击穿电压，功率MOSFET将发生雪崩击穿，此时则对应于输出特性的雪崩区（图中未示出）。

2.转移特性

图3-9所示为功率MOSFET（增强型）的转移特性曲线，它表示U_DS恒定时，漏极电流I_D和栅源电压U_GS的关系，表征功率MOSFET的U_GS对I_D的控制能力。

图3-9 功率MOSFET的转移特性曲线

3.动态特性

图3-10所示为功率MOSFET的开关过程，其中图3-10a为测试电路，图3-10b为开关过程的波形，这里的输入电压U_I即U_GS，输出电压U_O即U_DS。

图3-10 功率MOSFET的开关过程

a）测试电路 b）开关过程的波形

对于开通过程，从U_I上升到峰值的10％的时刻起，到U_O下降10％的时刻止，称为开通延迟时间，记为t_d（on）；U_O从下降10％到下降90％对应的时间段称为上升时间，记为t_r；开通延迟时间与上升时间之和称为开通时间，记为t_on，即t_on＝t_d（on）＋t_r。(www.xing528.com)

对于关断过程，从U_I下降到峰值的90％的时刻起，到U_O上升10％的时刻止，称为关断延迟时间，记为t_d（off）；U_O从上升10％到上升90％对应的时间段称为下降时间，记为t_f；关断延迟时间与下降时间之和称为关断时间，记为t_off，即t_off＝t_d（off）＋t_f。

功率MOSFET的开关速度和输入电容C_in充放电有很大关系。降低驱动电路内阻R_s可以减小时间常数，加快开关速度。功率MOSFET由于不存在少子存储效应，关断过程非常迅速，所以对于关断延迟时间t_d（off）这个时间常数有的书中也标记为t_s，但它指的是栅极电容的存储作用，与GTR中超量存储电荷的作用是根本不同的。功率MOSFET的开关时间在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。作为场控器件，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，并且开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

4.安全工作区

图3-11所示为功率MOSFET的安全工作区，它由4条曲线围成：①是U_DS的最大电压，即PN结的雪崩击穿电压，②是150℃时的最大功耗I_DU_DS，③是最大漏极电流I_Dmax，④是寄生晶体管的二次击穿限制。

正常工作状态下功率MOSFET的SOA中是不存在曲线④的，但是当源区下方的横向空穴流引起的电位差大于PN结阈值电压时，寄生NPN晶体管开通，SOA就受到寄生晶体管二次击穿的限制。

图3-11 功率MOSFET的安全工作区

5.主要电学参数

（1）导通电阻 导通电阻R_on是功率MOSFET的重要参数，它与输出特性、饱和特性密切相关。通常规定在确定的U_GS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。

器件结构不同，R_on的计算方法也不同。以美国Motolora公司的TMOS（指器件重复单元为四边形，T代表Tetragon，又如器件重复单元为正六角形的称为HEXFET，HEX代表Hexagon）器件为例，如图3-12所示，R_on由4部分组成：

1）r_CH：反型层沟道电阻，在低压器件中，这部分对R_on贡献较大，20V级功率MOSFET的r_CH约占R_on的80％，高压器件中贡献较小。

2）r_ACC：栅漏积聚区电阻，指栅电极正下方在N-层上形成的表面电荷积累层电阻。

3）r_JFET：夹断区电阻，指相邻的P阱间的电阻。

图3-12 TMOS导通电阻的组成

4）r_D：轻掺杂漏极区电阻，指高阻外延层电阻，这部分在高压器件中非常重要，在大于500V的器件中占R_on的50％以上。

（2）跨导 参见图3-9功率MOSFET的转移特性曲线，I_D较大时，I_D与U_GS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导g_m，即

跨导表征功率MOSFET的放大能力，与GTR的电流增益β相仿。

（3）漏源电流 I_D是用来表示晶体管承受电流能力的一个参数。当功率MOSFET工作在电流饱和区时，I_D与u_GS满足如下关系

式中，C_ox＝ε_ox／t_ox，ε_ox＝3.5×10^-13F／cm，为二氧化硅的介电常数，t_ox为栅氧化层的厚度；μ_n为沟道区电子迁移率，μ_n≈700cm²／s·V；W为沟道宽度；L为沟道长度。

I_D的大小主要受器件沟道宽度W的限制。

（4）其他 除前面提到的阈值电压U_T以及t_d（on）、t_r、t_d（off）、t_f之外还有：

1）漏极电压U_DS：它是功率MOSFET的电压定额。

2）栅源电压U_GS：它与栅氧厚度有关，如：50nm厚的栅氧，30V的栅压可击穿，常见保险系数为3，所以允许的最大栅压为10V。

3）极间电容：包括C_GS、C_GD和C_DS。