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功率场效应管的原理、特点及参数

高工
2014-06-12 10:32:44    评分

功率场效应管的原理、特点及参数

功率场效应管又叫功率场控晶体管。

一.功率场效应管原理
半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料,供感兴趣的同事可以查阅。
实际上,功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的MOS管,即MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。
它又分为N沟道、P沟道两种。器件符号如下:

N沟道 P沟道
图1-3:MOSFET的图形符号
MOS器件的电极分别为栅极G、漏极D、源极S。
和普通MOS管一样,它也有:
耗尽型:栅极电压为零时,即存在导电沟道。无论VGS正负都起控制作用。
增强型:需要正偏置栅极电压,才生成导电沟道。达到饱和前,VGS正偏越大,IDS越大。
一般使用的功率MOSFET多数是N沟道增强型。而且不同于一般小功率MOS管的横向导电结构,使用了垂直导电结构,从而提高了耐压、电流能力,因此又叫VMOSFET。

二.功率场效应管的特点:
这种器件的特点是输入绝缘电阻大(1万兆欧以上),栅极电流基本为零。
驱动功率小,速度高,安全工作区宽。但高压时,导通电阻与电压的平方成正比,因而提高耐压和降低高压阻抗困难。
适合低压100V以下,是比较理想的器件。
目前的研制水平在1000V/65A左右(参考)。
其速度可以达到几百KHz,使用谐振技术可以达到兆级。

三.功率场效应管的参数与器件特性:
无载流子注入,速度取决于器件的电容充放电时间,与工作温度关系不大,故热稳定性好。
(1)转移特性:
ID随UGS变化的曲线,成为转移特性。从下图可以看到,随着UGS的上升,跨导将越来越高。

图1-4:MOSFET的转移特性
(2)输出特性(漏极特性):
输出特性反应了漏极电流随VDS变化的规律。
这个特性和VGS又有关联。下图反映了这种规律。
图中,爬坡段是非饱和区,水平段为饱和区,靠近横轴附近为截止区,这点和GTR有区别。

图1-5:MOSFET的输出特性
VGS=0时的饱和电流称为饱和漏电流IDSS。
(3)通态电阻Ron:
通态电阻是器件的一个重要参数,决定了电路输出电压幅度和损耗。
该参数随温度上升线性增加。而且VGS增加,通态电阻减小。
(4)跨导:

MOSFET的增益特性称为跨导。定义为:
Gfs=ΔID/ΔVGS
显然,这个数值越大越好,它反映了管子的栅极控制能力。
(5)栅极阈值电压
栅极阈值电压VGS是指开始有规定的漏极电流(1mA)时的最低栅极电压。它具有负温度系数,结温每增加45度,阈值电压下降10%。
(6)电容
MOSFET的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容,这些电容对开关速度有一定影响。偏置电压高时,电容效应也加大,因此对高压电子系统会有一定影响。
有些资料给出栅极电荷特性图,可以用于估算电容的影响。以栅源极为例,其特性如下:
可以看到:器件开通延迟时间内,电荷积聚较慢。随着电压增加,电荷快速上升,对应着管子开通时间。最后,当电压增加到一定程度后,电荷增加再次变慢,此时管子已经导通。

图1-6:栅极电荷特性
(8)正向偏置安全工作区及主要参数
MOSFET和双极型晶体管一样,也有它的安全工作区。不同的是,它的安全工作区是由四根线围成的。
最大漏极电流IDM:这个参数反应了器件的电流驱动能力。
最大漏源极电压VDSM:它由器件的反向击穿电压决定。
最大漏极功耗PDM:它由管子允许的温升决定。
漏源通态电阻Ron:这是MOSFET必须考虑的一个参数,通态电阻过高,会影响输出效率,增加损耗。所以,要根据使用要求加以限制。

图1-7:正向偏置安全工作区




关键词: 场效应管    

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