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功率场效应管的原理、特点、参数及对比等详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2020-01-17 

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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:


功率场效应管


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。


功率场效应管


(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。


功率场效应管


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。


功率场效应管


(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


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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