功率场效应管的原理、特点、参数及对比等详解

功率MOS场效应晶体管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

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沟道与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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

功率场效应管对比

功率MOSFET场效应管从驱动模式上看，属于电压型驱动控制元件，驱动电路的设计比较简单，所需驱动功率很小。采用功率MOSFET场效应作为开关电源中的功率开关，在启动或稳态工作条件下，功率MOSFET场效应管的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。功率场效应管与双极型功率晶体管之间的特性比较如下：

1. 驱动方式：场效应管是电压驱动，电路设计比较简单，驱动功率小；功率晶体管是电流驱动，设计较复杂，驱动条件选择困难，驱动条件会影响开关速度。

2. 开关速度：场效应管无少数载流子存储效应，温度影响小，开关工作频率可达150KHz以上；功率晶体管有少数载流子存储时间限制其开关速度，工作频率一般不超过50KHz。

3. 安全工作区：功率场效应管无二次击穿，安全工作区宽；功率晶体管存在二次击穿现象，限制了安全工作区。

4. 导体电压：功率场效应管属于高电压型，导通电压较高，有正温度系数；功率晶体管无论耐电压的高低，导体电压均较低，具有负温度系数。

5. 峰值电流：功率场效应管在开关电源中用做开关时，在启动和稳态工作时，峰值电流较低；而功率晶体管在启动和稳态工作时，峰值电流较高。

6. 产品成本：功率场效应管的成本略高；功率晶体管的成本稍低。

7. 热击穿效应：功率场效应管无热击穿效应；功率晶体管有热击穿效应。

8. 开关损耗：场效应管的开关损耗很小；功率晶体管的开关损耗比较大。

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