2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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1、功率場效應(yīng)晶體管MOSFET1.概述MOSFET的原意是:MOS(MetalOxideSemiconduct金屬氧化物半導(dǎo)體),F(xiàn)ET(FieldEffectTransist場效應(yīng)晶體管),即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)的場效應(yīng)晶體管。功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSemiconductFET)簡稱功率MOSFET(PowerMOSFET

2、)。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(StaticInductionTransist——SIT)。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流,驅(qū)動電路簡單,需要的驅(qū)動功率小,開關(guān)速度快,工作頻率高,熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR,但其電流容量小,耐壓低,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。2.功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理功率MOSFET的種類:按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為;耗盡型;當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存

3、在導(dǎo)電溝道,增強(qiáng)型;對于N(P)溝道器件,柵極電壓大于(小于)零時才存在導(dǎo)電溝道,功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。2.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖1所示;其導(dǎo)通時只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電,是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同,但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別,小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?,功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),又稱為VMOSFET(VerticalMOSFET),大大提高了M

4、OSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異,又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET(VerticalDoublediffusedMOSFET),本文主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。功率MOSFET為多元集成結(jié)構(gòu),如國際整流器公司(InternationalRectifier)的HEXFET采用了六邊形單元;西門子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形單

5、元;摩托羅拉公司(Motola)的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列。2.2功率MOSFET的工作原理截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏,漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電:在柵源極間加正電壓UGS,柵極是絕緣的,所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會場控器件靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電,仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高,所需要的驅(qū)動功率越大。2.4動態(tài)性能的改進(jìn)

6、在器件應(yīng)用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外,還必須掌握在應(yīng)用中如何保護(hù)器件,不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當(dāng)然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組合,又加上因大面積帶來的大電容,所以其dvdt能力是較為脆弱的。對didt來說,它還存在一個導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問題,所以也帶來相當(dāng)嚴(yán)格的限制。功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dvdt及didt的能力常以每納秒(而不是每微秒)的能力來估量。但盡管如此,它也存在動態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOS

7、FET的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。圖4是功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外,還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個二極管。同時從某個角度看、它還存在一個寄生晶體管。(就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣)。這幾個方面,是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。首先MOSFET結(jié)構(gòu)中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復(fù)雪崩能力來表達(dá)。當(dāng)反向didt很大時,二極管會承受一個速度非??斓拿}

8、沖尖刺,它有可能進(jìn)入雪崩區(qū),一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結(jié)二極管來說,仔細(xì)研究其動態(tài)特性是相當(dāng)復(fù)雜的。它們和我們一般理解PN結(jié)正向時導(dǎo)通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當(dāng)電流迅速下降時,二極管有一階段失去反向阻斷能力,即所謂反向恢復(fù)時間。PN結(jié)要求迅速導(dǎo)通時,也會有一段時間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入,所注入的少數(shù)載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復(fù)雜性。功率MOSFET的設(shè)

9、計過程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同,但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB盡量小。因?yàn)橹挥性诼ON區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區(qū)建立正偏的條件時,寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動態(tài)條件下,因dvdt通過相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動,有可能給MOSFET帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時對功率MOSFET器件內(nèi)部的各個電容(它是dvdt

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