电力电子半导体器件(MOSFET)课件.pptx
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1、第五章 功率场效应晶体管 (Power MOSFET),TO-247AC,TO-220F,TO-92,TO-126,第五章 功率场效应晶体管 (Power MO,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。1N沟道MOSFET,工作原理:VGS=0,无导电沟道。VGS0,反型层出现, 形成N沟道,电子导电。,类型:增强型,耗尽型,增强型,5.1 结构与工作原理一、普通MOSFET基本结构工作原理,.P沟道MOSFET:空穴导电 分类:增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,3存在问题:平面型结构 S
2、、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),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。,.P沟道MOSFET:空穴导电GDSGDS增强型耗尽型3,二、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: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。 N-漂移区:集电区加入轻掺杂N-漂移区,提高耐压。双重扩散技术:基区宽度严格控制,可满足不同等级要求。 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
3、功率较大。,二、功率MOSFET:,(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:垂直导电结构; N-漂移区;双重扩散技术;,1VVMOSFET:美国雷达半导体公司1975年推出,特点:VGS加电压后,形成反型层沟道,电流垂直流动。漏极安装于衬底,可充分利用硅片面积N-漂移区,提高耐压,降低CGD电容。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。,(一)VMOSFET:1VVMOSFET:美国雷达半导体公,2VDMOSFET: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
4、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、-MOS等。,寄生二极管,2VDMOSFET:垂直导电的双扩散MOS结构,(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: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
5、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0.045 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。,(二)多元集成结构,5.2 MOSFET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,VGSVT(开启电压)无反型层,ID电流为0。,可变电阻区:ID随VDS线性变化区,VGS越大,沟道电阻越小。,饱和区:放大区,随VGS增大,ID电流恒流区域。,VDS,BVD
6、S,雪崩区:击穿区,VDS增大,使漏极PN结击穿。,5.2 MOSFET特性与参数一、静态特性与参数夹断区:截,2饱和特性:MOSFET饱和导通特性,特点: 导通时,沟道电阻较大,饱和压降较大。不像GTR有超量存储电荷,是单极型器件,没有载流子存储效应。 使用时,尽量减小沟道电阻,一般,增大VGS电压,可使沟道电阻减小。,2饱和特性:MOSFET饱和导通特性特点:,3转移特性:ID与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,gmVGS关系曲线,增强型,耗尽型,开启电压,夹断电压,V GS(OFF),3转移特性:ID与VGS关系曲线
7、(S)转移特性gmVGS,4静态参数: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。,4静态参数:反型层沟道电阻rCH增大VGS,可减小rCH和,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。,Ron与器件耐压、温度关系:器件耐压越高, Ron越大。随温,开启电压VT:阈值电压 反型层建立所需最低栅源电压。定义:工业
8、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。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%。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。最大漏极电流IDM:受沟道宽度限制,使用时留有余量。,开启电压VT:阈值电压,二、动态特性与参数1开关过程与开关时间: MOSFET为单极型器件,多数载流子导电,本身电阻效应和渡越效应对开关过程影响很小,开关速度很高,ns级(典
9、型值20 ns),开通时间:,延迟时间,上升时间,Vi,Vi上升到VT,影响因素:VT,CGS,CGD及信号源上升时间、内阻。,关断时间:,存储时间,下降时间,影响因素:CDS,负载电阻RD,二、动态特性与参数开通时间:延迟时间上升时间ViVi上升到,2极间电容:CGS,CGD,CDS,CGS,CGD取决于管子几何形状,绝缘层厚度等物理尺寸,数值稳定,几乎不变化。CDS由PN结形成,取决于沟道面积,反偏程度,受电压、温度变化影响。 一般:,*VDS越大,极间电容越小;低压下使用时,开关时间加大,工作频率受限制。*开关速度与寄生电容充放电时间有关。,2极间电容:CGS,CGD,CDSCGS,CG
10、D取决于管子,3影响开关时间的因素:极间电容;寄生电感;VDS电压;ID电流; 驱动源参数(内阻),3影响开关时间的因素:,4dv/dt对MOSFET动态性能影响静态dv/dt:会引起MOSFET栅极电压变化,导致错误开通。在栅源间并联电阻,可防止误开通。,动态dv/dt:回路中电感在MOSFET关断时,引起动态dv/dt;工作频率越高,负载等效电感越大,器件同时承受大的漏极电流和高漏极电压,将导致器件损坏。 加吸收回路,减小引线长度,采用谐振型电路,可抑制dv/dt,4dv/dt对MOSFET动态性能影响动态dv/dt:回,二极管恢复期dv/dt:在MOSFET使用中,二极管发生续流过程时,
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