电力场效应管工作原理

电力场效应管简介

电力场效应管又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET），结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。

电力场效应管外形与结构

小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

小功率MOS管是横向导电器件。由于N沟道增强型MOS管最为常用，因此下面主要介绍这种类型的MOS管。外形与结构，N沟道增强型绝缘栅场效应管（简称增强型NMOS管）如图2-14所示。

图 2-14

增强型NMOS管的结构是以P型硅片作为基片（又称衬底），在基片上制作两个含很多杂质的N型材料，再在上面制作一层很薄的二氧化硅( SiO2)绝缘层，在两个N型材料上引出两个铝电极，分别称为漏极(D)和源极(S)，在两极中间的SiO2绝缘层上制作一层铝制导电层，从该导电层上引出电极称为G极。P型衬底与D极连接的N型半导体会形成二极管结构（称之为寄生二极管），由于P型衬底通常与S极连接在一起，所以增强型NMOS管又可用图2-14 (c)所示的符号表示。

电力场效应管工作原理

增强型NMOS管需要加合适的电压才能工作。加有电压的增强型NMOS管如下图所示，下图(a)为结构图形式，下图(b)为电路图形式。

如上图(a)所示，电源E1通过R1接场效应管的D、S极，电源E2通过开关S接场效应管的G、S极。在开关S断开时，场效应管的G极无电压，D、S极所接的两个N区之间没有导电沟道，所以两个N区之间不能导通，ID电流为0；如果将开关S闭合，场效应管的G极获得正电压，与G极连接的铝电极有正电荷，由此产生的电场穿过SiO2层，将P衬底很多电子吸引靠近至SiO2层，从而在两个N区之间出现导电沟道，此时D、S极之间被加上正向电压，从而有ID电流从D极流入，再经导电沟道从S极流出。

如果改变E2电压的大小，即改变G、S极之间的电压UGS，与G极相通的铝层产生的电场大小就会变化，SiO2下面的电子数量就会变化，两个N区之间沟道宽度就会变化，流过的ID电流大小就会变化。UGS电压越高，沟道就会越宽，ID电流就会越大。

由此可见，改变G、S极之间的电压UGS，就能改变从D极流向S极的ID电流大小，并且ID电流变化较UGS电压变化要大得多，这就是场效应管的放大原理（即电压控制电流变化原理）。为了表示场效应管的放大能力，这里引入一个参数——跨导gm，gm用下面的公式计算：

gm反映了栅源电压Us对漏极电流ID的控制能力，是表述场效应管放大能力的一个重要的参数（相当于三极管的β），gm的单位是西门子(S)，也可以用A/V表示。

增强型绝缘栅场效应管具有的特点是：在G、S极之间未加电压（即UGS=0）时，D、S极之间没有沟道，ID=0；当G、S极之间加上合适电压（大于开启电压UT）时，D、S极之间有沟道形成，UGS电压变化时，沟道宽窄会发生变化，ID电流也会变化。

对于N沟道增强型绝缘栅场效应管，G、S极之间应加正向电压（即UG>Us，UGS= UG-US为正电压），D、S极之间才会形成沟道；对于P沟道增强型绝缘栅场效应管，G、S极之间须加反向电压（即UG

电力场效应管特性

电力场效应管静态特性主要指输出特性和转移特性, 与静态特性对应的主 要参数有漏极击穿电压,漏极额定电压,漏极额定电流和栅极开启电压等.

1、 静态特性

(1) 输出特性 输出特性即是漏极的伏安特性.特性曲线,如图 2(b)所示.由图所见,输出 特性分为截止,饱和与非饱和 3 个区域.这里饱和,非饱和的概念与 GTR 不同. 饱和是指漏极电流 ID 不随漏源电压 UDS 的增加而增加,也就是基本保持不变;非 饱和是指地 UCS 一定时,ID 随 UDS 增加呈线性关系变化.

(2) 转移特性 转移特性表示漏极电流 ID 与栅源之间电压 UGS 的转移特性关系曲线, 如图 2(a) 所示. 转移特性可表示出器件的放大能力, 并且是与 GTR 中的电流增益 β 相似. 由于 Power MOSFET 是压控器件,因此用跨导这一参数来表示.跨导定义为 (1) 图中 UT 为开启电压,只有当 UGS=UT 时才会出现导电沟道,产生漏极电流 ID

2、动态特性

动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系,它影响器件的开关过程.由于该器件为单极型,靠多数载流子导 电,因此开关速度快,时间短,一般在纳秒数量级.

电力场效应管的动态特性.如图所示.

电力场效应管的动态特性用图 3(a)电路测试.图中,up 为矩形脉冲电压信 号源;RS 为信号源内阻;RG 为栅极电阻;RL 为漏极负载电阻;RF 用以检测漏极 电流. 电力场效应管的开关过程波形,如图 3(b)所示. 电力场效应管的开通过程:由于电力场效应管有输入电容,因此当脉 冲电压 up 的上升沿到来时,输入电容有一个充电过程,栅极电压 uGS 按指数曲线 上升.当 uGS 上升到开启电压 UT 时,开始形成导电沟道并出现漏极电流 iD.从 up 前沿时刻到 uGS=UT,且开始出现 iD 的时刻,这段时间称为开通延时时间 td(on).此 后,iD 随 uGS 的上升而上升,uGS 从开启电压 UT 上升到电力场效应管临近饱和区 的栅极电压 uGSP 这段时间,称为上升时间 tr.这样电力场效应管的开通时间：

ton=td(on)+tr(2)

电力场效应管的关断过程:当 up 信号电压下降到 0 时,栅极输入电容上储 存的电荷通过电阻 RS 和 RG 放电,使栅极电压按指数曲线下降,当下降到 uGSP 继 续下降,iD 才开始减小,这段时间称为关断延时时间 td(off).此后,输入电容继续 放电,uGS 继续下降,iD 也继续下降,到 uGST 时导电沟道消失,iD=0, 这段时间称为下降时间 tf.这样 Power MOSFET 的关断时间。

toff=td(off)+tf (3)

从上述分析可知,要提高器件的开关速度,则必须减小开关时间.在输入电 容一定的情况下,可以通过降低驱动电路的内阻 RS 来加快开关速度. 电力场效应管晶体管是压控器件,在静态时几乎不输入电流.但在开关过程 中,需要对输入电容进行充放电,故仍需要一定的驱动功率.工作速度越快,需 要的驱动功率越大。

主要参数

静态参数

(1) 漏极击穿电压 BUD BUD 是不使器件击穿的极限参数,它大于漏极电压额定值.BUD 随结温的升高而 升高,这点正好与 GTR 和 GTO 相反.

(2) 漏极额定电压 UD UD 是器件的标称额定值.

(3) 漏极电流 ID 和 IDM ID 是漏极直流电流的额定参数;IDM 是漏极脉冲电流幅值.

(4) 栅极开启电压 UT UT 又称阀值电压,是开通 Power MOSFET 的栅-源电压,它为转移特性的特性曲 线与横轴的交点.施加的栅源电压不能太大,否则将击穿器件.

(5) 跨导 gm gm 是表征 Power MOSFET 栅极控制能力的参数. 三,电力场效应管的动态特性和主要参数

动态参数

(1) 极间电容 Power MOSFET 的 3 个极之间分别存在极间电容 CGS,CGD,CDS.

(2) 漏源电压上升率 器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制,过高的 du/dt 可能导致电路性 能变差,甚至引起器件损坏。

保护措施及注意事项

电力场效应管的绝缘层易被击穿是它的致命弱点,栅源电压一般不得超过± 20V.因此,在应用时必须采用相应的保护措施.通常有以下几种:

(1) 防静电击穿 电力场效应管最大的优点是有极高的输入阻抗, 因此在静电较强的场合易被 静电击穿.为此,应注意:

①储存时, 应放在具有屏蔽性能的容器中, 取用时工作人员要通过腕带良好接地;

②在器件接入电路时,工作台和烙铁必须良好接地,且烙铁断电焊接;

③测试器件时,仪器和工作台都必须良好接地.

(2) 防偶然性震荡损坏 当输入电路某些参数不合适时,可能引志震荡而造成器件损坏.为此,可在 栅极输入电路中串入电阻.

(3) 防栅极过电压 可在栅源之间并联电阻或约 20V 的稳压二极管.

(4) 防漏极过电流 由于过载或短路都会引起过大的电流冲击,超过 IDM 极限值,此时必须采用 快速保护电路使用器件迅速断开主回路

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