輸入阻抗高
驅動電路簡單,需要的驅動功率小。
開關速度快,工作頻率高。
熱穩定性優於GTR。
電流容量小,耐壓低,一般只適用於功率不超過10kW的電力電子裝置 。
電力MOSFET的種類
按導電溝道可分為P溝道和N溝道。
耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。
增強型——對於N(P)溝道器件,柵極電壓大於(小於)零時才存在導電溝道。
電力MOSFET主要是N溝道增強型。
電力MOSFET的結構
小功率MOS管是橫嚮導電器件。
電力MOSFET大都採用垂直導電結構,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)。
這裡主要以VDMOS器件為例進行討論。
電力MOSFET的工作原理(N溝道增強型VDMOS)
截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。
P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏,漏源極之間無電流流過。
導電:在柵源極間加正電壓UGS
當UGS大於UT時,P型半導體反型成N型而成為反型層,該反型層形成N溝道而使PN結J1消失,漏極和源極導電 。
電力MOSFET的基本特性
(1)靜態特性
漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關係稱為MOSFET的轉移特性。
ID較大時,ID與UGS的關係近似線性,曲線的斜率定義為跨導Gfs。
(2)MOSFET的漏極伏安特性(即輸出特性):
截止區(對應於GTR的截止區)
飽和區(對應於GTR的放大區)
非飽和區(對應GTR的飽和區)
工作在開關狀態,即在截止區和非飽和區之間來迴轉換。
漏源極之間有寄生二極體,漏源極間加反向電壓時導通。
通態電阻具有正溫度係數,對器件並聯時的均流有利。
(3)動態特性
開通過程
開通延遲時間td(on)
上升時間tr
開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和
關斷過程
關斷延遲時間td(off)
下降時間tf
關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和
MOSFET的開關速度
MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關係。
可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數,加快開關速度。
不存在少子儲存效應,關斷過程非常迅速。
開關時間在10~100ns之間,工作頻率可達100kHz以上,是主要電力電子器件中最高的。
場控器件,靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電,仍需一定的驅動功率。
開關頻率越高,所需要的驅動功率越大。
電力MOSFET的主要參數
除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有:
(1)漏極電壓UDS——電力MOSFET電壓定額
(2)漏極直流電流ID和漏極脈衝電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額
(3)柵源電壓UGS—— UGS>20V將導致絕緣層擊穿 。
(4)極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS
另一種介紹說明:
場效應管(Fjeld Effect Transistor簡稱FET )是利用電場效應來控制半導體中電流的一種半導體器件,故因此而得名。場效應管是一種電壓控制器件,只依靠一種載流子參與導電,故又稱為單極型電晶體。與雙極型晶體三極體相比,它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強、功耗小、製造工藝簡單和便於集成化等優點。
場效應管有兩大類,結型場效應管JFET和絕緣柵型場效應管IGFET,後者性能更為優越,發展迅速,套用廣泛。圖Z0121 為場效應管的類型及圖形、符號。
一、結構與分類
圖 Z0122為N溝道結型場效應管結構示意圖和它的圖形、符號。它是在同一塊N型矽片的兩側分別製作摻雜濃度較高的P型區(用P 表示),形成兩個對稱的PN結,將兩個P區的引出線連在一起作為一個電極,稱為柵極(g),在N型矽片兩端各引出一個電極,分別稱為源極(s)和漏極(d)。在形成PN結過程中,由於P 區是重摻雜區,所以N一區側的空間電荷層寬度遠大
二、工作原理
N溝道和P溝道結型場效應管的工作原理完全相同,只是偏置電壓的極性和載流子的類型不同而已。下面以N溝道結型場效應管為例來分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由於柵源間加反向電壓,所以兩側PN結均處於反向偏置,柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導體中的多數載流子-電子由源極出發,經過溝道到達漏極形成漏極電流ID。
1.柵源電壓UGS對導電溝道的影響(設UDS=0)
在圖Z0123所示電路中,UGS <0,兩個PN結處於反向偏置,耗盡層有一定寬度,ID=0。若|UGS| 增大,耗盡層變寬,溝道被壓縮,截面積減小,溝道電阻增大;若|UGS| 減小,耗盡層變窄,溝道變寬,電阻減小。這表明UGS控制著漏源之間的導電溝道。當UGS負值增加到某一數值VP時,兩邊耗盡層合攏,整個溝道被耗盡層完全夾斷。(VP稱為夾斷電壓)此時,漏源之間的電阻趨於無窮大。管子處於截止狀態,ID=0。
2.漏源電壓UGS對漏極電流ID的影響(設UGS=0)
當UGS=0時,顯然ID=0;當UDS>0且尚小對,P N結因加反向電壓,使耗盡層具有一定寬度,但寬度上下不均勻,這是由於漏源之間的導電溝道具有一定電阻,因而漏源電壓UDS沿溝道遞降,造成漏端電位高於源端電位,使近漏端PN結上的反向偏壓大於近源端,因而近漏端耗盡層寬度大於近源端。顯然,在UDS較小時,溝道呈現一定電阻,ID隨UDS成線性規律變化(如圖Z0124曲線OA段);若UGS再繼續增大,耗盡層也隨之增寬,導電溝道相應變窄,尤其是近漏端更加明顯。
由於溝道電阻的增大,ID增長變慢了(如圖曲線AB段),當UDS增大到等於|VP|時,溝道在近漏端首先發生耗盡層相碰的現象。這種狀態稱為預夾斷。這時管子並不截止,因為漏源兩極間的場強已足夠大,完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS (這種情況如曲線B點):當UDS>|VP|再增加時,耗盡層從近漏端開始沿溝道加長它的接觸部分,形成夾斷區 。
由於耗盡層的電阻比溝道電阻大得多,所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區上,使夾斷區形成很強的電場,它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極,形成漏極電流。因為未被夾斷的溝道上的電壓基本保持不變,於是向漏極方向漂移的電子也基本保持不變,管子呈恆流特性(如曲線BC段)。但是,如果再增加UDS達到BUDS時(BUDS稱為擊穿電壓)進入夾斷區的電子將被強電場加速而獲得很大的動能,這些電子和夾斷區內的原子碰撞發生鏈鎖反應,產生大量的新生載流予,使ID急劇增加而出現擊穿現象(如曲線CD段)。
由此可見,結型場效應管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用,是場效應管具有放大作用的基礎。
三、特性曲線
1.輸出特性曲線
輸出特性曲線是柵源電壓UGS取不同定值時,漏極電流ID 隨漏源電壓UDS 變化的一簇關係曲線,如圖Z0124所示。由圖可知,各條曲線有共同的變化規律。UGS越負,曲線越向下移動)這是因為對於相同的UDS,UGS越負,耗盡層越寬,導電溝道越窄,ID越小。
由圖還可看出,輸出特性可分為三個區域即可變電阻區、恆流區和擊穿區。
◆可變電阻區:預夾斷以前的區域。其特點是,當0<UDS<|VP|時,ID幾乎與UDS呈線性關係增長,UGS愈負,曲線上升斜率愈小。在此區域內,場效應管等效為一個受UGS控制的可變電阻。
◆恆流區:圖中兩條虛線之間的部分。其特點是,當UDS>|VP|時,ID幾乎不隨UDS變化,保持某一恆定值。ID的大小隻受UGS的控制,兩者變數之間近乎成線性關係,所以該區域又稱線性放大區。
◆擊穿區:右側虛線以右之區域。此區域內UDS>BUDS,管子被擊穿,ID隨UDS的增加而急劇增加。
2.轉移特性曲線
當UDS一定時,ID與UGS之間的關係曲線稱為轉移特性曲線。實驗表明,當UDS>|VP|後,即恆流區內,ID 受UDS影響甚小,所以轉移特性通常只畫一條。在工程計算中,與恆流區相對應的轉移特性可以近似地用下式表示:Id=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)
式GS0127中VP≤UGS≤0,IDSS是UGS=0時的漏極飽和電流。
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