電力場效應管工作原理

電力場效應管簡介

電力場效應管又名電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型，通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET），結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。

電力場效應管外形與結構

小功率MOS管是橫向導電器件。電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

小功率MOS管是橫向導電器件。由于N溝道增強型MOS管最為常用，因此下面主要介紹這種類型的MOS管。外形與結構，N溝道增強型絕緣柵場效應管（簡稱增強型NMOS管）如圖2-14所示。

圖 2-14

增強型NMOS管的結構是以P型硅片作為基片（又稱襯底），在基片上制作兩個含很多雜質的N型材料，再在上面制作一層很薄的二氧化硅( SiO2)絕緣層，在兩個N型材料上引出兩個鋁電極，分別稱為漏極(D)和源極(S)，在兩極中間的SiO2絕緣層上制作一層鋁制導電層，從該導電層上引出電極稱為G極。P型襯底與D極連接的N型半導體會形成二極管結構（稱之為寄生二極管），由于P型襯底通常與S極連接在一起，所以增強型NMOS管又可用圖2-14 (c)所示的符號表示。

電力場效應管工作原理

增強型NMOS管需要加合適的電壓才能工作。加有電壓的增強型NMOS管如下圖所示，下圖(a)為結構圖形式，下圖(b)為電路圖形式。

如上圖(a)所示，電源E1通過R1接場效應管的D、S極，電源E2通過開關S接場效應管的G、S極。在開關S斷開時，場效應管的G極無電壓，D、S極所接的兩個N區之間沒有導電溝道，所以兩個N區之間不能導通，ID電流為0；如果將開關S閉合，場效應管的G極獲得正電壓，與G極連接的鋁電極有正電荷，由此產生的電場穿過SiO2層，將P襯底很多電子吸引靠近至SiO2層，從而在兩個N區之間出現導電溝道，此時D、S極之間被加上正向電壓，從而有ID電流從D極流入，再經導電溝道從S極流出。

如果改變E2電壓的大小，即改變G、S極之間的電壓UGS，與G極相通的鋁層產生的電場大小就會變化，SiO2下面的電子數量就會變化，兩個N區之間溝道寬度就會變化，流過的ID電流大小就會變化。UGS電壓越高，溝道就會越寬，ID電流就會越大。

由此可見，改變G、S極之間的電壓UGS，就能改變從D極流向S極的ID電流大小，并且ID電流變化較UGS電壓變化要大得多，這就是場效應管的放大原理（即電壓控制電流變化原理）。為了表示場效應管的放大能力，這里引入一個參數——跨導gm，gm用下面的公式計算：

gm反映了柵源電壓Us對漏極電流ID的控制能力，是表述場效應管放大能力的一個重要的參數（相當于三極管的β），gm的單位是西門子(S)，也可以用A/V表示。

增強型絕緣柵場效應管具有的特點是：在G、S極之間未加電壓（即UGS=0）時，D、S極之間沒有溝道，ID=0；當G、S極之間加上合適電壓（大于開啟電壓UT）時，D、S極之間有溝道形成，UGS電壓變化時，溝道寬窄會發生變化，ID電流也會變化。

對于N溝道增強型絕緣柵場效應管，G、S極之間應加正向電壓（即UG>Us，UGS= UG-US為正電壓），D、S極之間才會形成溝道；對于P溝道增強型絕緣柵場效應管，G、S極之間須加反向電壓（即UG

電力場效應管特性

電力場效應管靜態特性主要指輸出特性和轉移特性, 與靜態特性對應的主 要參數有漏極擊穿電壓,漏極額定電壓,漏極額定電流和柵極開啟電壓等.

1、 靜態特性

(1) 輸出特性 輸出特性即是漏極的伏安特性.特性曲線,如圖 2(b)所示.由圖所見,輸出 特性分為截止,飽和與非飽和 3 個區域.這里飽和,非飽和的概念與 GTR 不同. 飽和是指漏極電流 ID 不隨漏源電壓 UDS 的增加而增加,也就是基本保持不變;非 飽和是指地 UCS 一定時,ID 隨 UDS 增加呈線性關系變化.

(2) 轉移特性 轉移特性表示漏極電流 ID 與柵源之間電壓 UGS 的轉移特性關系曲線, 如圖 2(a) 所示. 轉移特性可表示出器件的放大能力, 并且是與 GTR 中的電流增益 β 相似. 由于 Power MOSFET 是壓控器件,因此用跨導這一參數來表示.跨導定義為 (1) 圖中 UT 為開啟電壓,只有當 UGS=UT 時才會出現導電溝道,產生漏極電流 ID

2、動態特性

動態特性主要描述輸入量與輸出量之間的時間關系,它影響器件的開關過程.由于該器件為單極型,靠多數載流子導 電,因此開關速度快,時間短,一般在納秒數量級.

電力場效應管的動態特性.如圖所示.

電力場效應管的動態特性用圖 3(a)電路測試.圖中,up 為矩形脈沖電壓信 號源;RS 為信號源內阻;RG 為柵極電阻;RL 為漏極負載電阻;RF 用以檢測漏極 電流. 電力場效應管的開關過程波形,如圖 3(b)所示. 電力場效應管的開通過程:由于電力場效應管有輸入電容,因此當脈 沖電壓 up 的上升沿到來時,輸入電容有一個充電過程,柵極電壓 uGS 按指數曲線 上升.當 uGS 上升到開啟電壓 UT 時,開始形成導電溝道并出現漏極電流 iD.從 up 前沿時刻到 uGS=UT,且開始出現 iD 的時刻,這段時間稱為開通延時時間 td(on).此 后,iD 隨 uGS 的上升而上升,uGS 從開啟電壓 UT 上升到電力場效應管臨近飽和區 的柵極電壓 uGSP 這段時間,稱為上升時間 tr.這樣電力場效應管的開通時間：

ton=td(on)+tr(2)

電力場效應管的關斷過程:當 up 信號電壓下降到 0 時,柵極輸入電容上儲 存的電荷通過電阻 RS 和 RG 放電,使柵極電壓按指數曲線下降,當下降到 uGSP 繼 續下降,iD 才開始減小,這段時間稱為關斷延時時間 td(off).此后,輸入電容繼續 放電,uGS 繼續下降,iD 也繼續下降,到 uGST 時導電溝道消失,iD=0, 這段時間稱為下降時間 tf.這樣 Power MOSFET 的關斷時間。

toff=td(off)+tf (3)

從上述分析可知,要提高器件的開關速度,則必須減小開關時間.在輸入電 容一定的情況下,可以通過降低驅動電路的內阻 RS 來加快開關速度. 電力場效應管晶體管是壓控器件,在靜態時幾乎不輸入電流.但在開關過程 中,需要對輸入電容進行充放電,故仍需要一定的驅動功率.工作速度越快,需 要的驅動功率越大。

主要參數

靜態參數

(1) 漏極擊穿電壓 BUD BUD 是不使器件擊穿的極限參數,它大于漏極電壓額定值.BUD 隨結溫的升高而 升高,這點正好與 GTR 和 GTO 相反.

(2) 漏極額定電壓 UD UD 是器件的標稱額定值.

(3) 漏極電流 ID 和 IDM ID 是漏極直流電流的額定參數;IDM 是漏極脈沖電流幅值.

(4) 柵極開啟電壓 UT UT 又稱閥值電壓,是開通 Power MOSFET 的柵-源電壓,它為轉移特性的特性曲 線與橫軸的交點.施加的柵源電壓不能太大,否則將擊穿器件.

(5) 跨導 gm gm 是表征 Power MOSFET 柵極控制能力的參數. 三,電力場效應管的動態特性和主要參數

動態參數

(1) 極間電容 Power MOSFET 的 3 個極之間分別存在極間電容 CGS,CGD,CDS.

(2) 漏源電壓上升率 器件的動態特性還受漏源電壓上升率的限制,過高的 du/dt 可能導致電路性 能變差,甚至引起器件損壞。

保護措施及注意事項

電力場效應管的絕緣層易被擊穿是它的致命弱點,柵源電壓一般不得超過± 20V.因此,在應用時必須采用相應的保護措施.通常有以下幾種:

(1) 防靜電擊穿 電力場效應管最大的優點是有極高的輸入阻抗, 因此在靜電較強的場合易被 靜電擊穿.為此,應注意:

①儲存時, 應放在具有屏蔽性能的容器中, 取用時工作人員要通過腕帶良好接地;

②在器件接入電路時,工作臺和烙鐵必須良好接地,且烙鐵斷電焊接;

③測試器件時,儀器和工作臺都必須良好接地.

(2) 防偶然性震蕩損壞 當輸入電路某些參數不合適時,可能引志震蕩而造成器件損壞.為此,可在 柵極輸入電路中串入電阻.

(3) 防柵極過電壓 可在柵源之間并聯電阻或約 20V 的穩壓二極管.

(4) 防漏極過電流 由于過載或短路都會引起過大的電流沖擊,超過 IDM 極限值,此時必須采用 快速保護電路使用器件迅速斷開主回路

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