功率場效應管的原理、幾大特性及參數(shù)等詳解

功率場效應管的原理、特點及參數(shù)

功率場效應管又叫功率場控晶體管。

（一）功率場效應管原理

半導體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關資料，供感興趣的同事可以查閱。

實際上，功率場效應管也分結(jié)型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號如下：

N溝道   P溝道

圖1-3：MOSFET的圖形符號

MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。

和普通MOS管一樣，它也有：

耗盡型：柵極電壓為零時，即存在導電溝道。無論VGS正負都起控制作用。

增強型：需要正偏置柵極電壓，才生成導電溝道。達到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。

一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，使用了垂直導電結(jié)構(gòu)，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。

（二）功率場效應管的特點

功率場效應管，這種器件的特點是輸入絕緣電阻大（1萬兆歐以上），柵極電流基本為零。

驅(qū)動功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時，導通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。

適合低壓100V以下，是比較理想的器件。

目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。

其速度可以達到幾百KHz，使用諧振技術(shù)可以達到兆級。

（三）功率場效應管的參數(shù)與器件特性

無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時間，與工作溫度關系不大，故熱穩(wěn)定性好。

（1） 轉(zhuǎn)移特性：

ID隨UGS變化的曲線，成為轉(zhuǎn)移特性。從下圖可以看到，隨著UGS的上升，跨導將越來越高。

圖1-4：MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

（2） 輸出特性（漏極特性）：

輸出特性反應了漏極電流隨VDS變化的規(guī)律。

這個特性和VGS又有關聯(lián)。下圖反映了這種規(guī)律。

圖中，爬坡段是非飽和區(qū)，水平段為飽和區(qū)，靠近橫軸附近為截止區(qū)，這點和GTR有區(qū)別。

圖1-5：MOSFET的輸出特性

VGS=0時的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。

（3）通態(tài)電阻Ron：

通態(tài)電阻是器件的一個重要參數(shù)，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。

該參數(shù)隨溫度上升線性增加。而且VGS增加，通態(tài)電阻減小。

（4）跨導：

MOSFET的增益特性稱為跨導。定義為：

Gfs=ΔID/ΔVGS

顯然，這個數(shù)值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。

（5）柵極閾值電壓

柵極閾值電壓VGS是指開始有規(guī)定的漏極電流（1mA）時的最低柵極電壓。它具有負溫度系數(shù)，結(jié)溫每增加45度，閾值電壓下降10%。

（6）電容

MOSFET的一個明顯特點是三個極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對開關速度有一定影響。偏置電壓高時，電容效應也加大，因此對高壓電子系統(tǒng)會有一定影響。

有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：

可以看到：器件開通延遲時間內(nèi)，電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對應著管子開通時間。最后，當電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時管子已經(jīng)導通。

圖1-6：柵極電荷特性

（8）正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)

MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區(qū)。不同的是，它的安全工作區(qū)是由四根線圍成的。

最大漏極電流IDM：這個參數(shù)反應了器件的電流驅(qū)動能力。

最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。

最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。

漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個參數(shù)，通態(tài)電阻過高，會影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據(jù)使用要求加以限制。

圖1-7：正向偏置安全工作區(qū)

功率場效應管與雙極型功率晶體管特性比較

1、驅(qū)動方式：場效應管是電壓驅(qū)動，電路設計比較簡單，驅(qū)動功率??；功率晶體管是電流驅(qū)動，設計較復雜，驅(qū)動條件選擇困難，驅(qū)動條件會影響開關速度。

2、開關速度：場效應管無少數(shù)載流子存儲效應，溫度影響小，開關工作頻率可達150KHz以上；功率晶體管有少數(shù)載流子存儲時間限制其開關速度，工作頻率一般不超過50KHz。

3、安全工作區(qū)：功率場效應管無二次擊穿，安全工作區(qū)寬；功率晶體管存在二次擊穿現(xiàn)象，限制了安全工作區(qū)。

4、導體電壓：功率場效應管屬于高電壓型，導通電壓較高，有正溫度系數(shù)；功率晶體管無論耐電壓的高低，導體電壓均較低，具有負溫度系數(shù)。

5、峰值電流：功率場效應管在開關電源中用做開關時，在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時，峰值電流較低；而功率晶體管在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時，峰值電流較高。

6、產(chǎn)品成本：功率場效應管的成本略高；功率晶體管的成本稍低。

7、熱擊穿效應：功率場效應管無熱擊穿效應；功率晶體管有熱擊穿效應。

8、開關損耗：場效應管的開關損耗很??；功率晶體管的開關損耗比較大。

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