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mosfet特性等知识(图文解析)-降低高压MOS导通电阻原理与方法-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2020-08-27 

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mosfet特性(图文解析)-细说mosfet结构及参数知识

mosfet

mosfet特性详解,mosfet是金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。 [1]  MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同,可分为“N型”与“P型” 的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称上包括NMOS、PMOS等。

mosfet特性

图1


mosfet结构详解

mosfet特性

图2

图2是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图所示。


从图2中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。


图2是常见的N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性,如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺,构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。虽然有不同的结构,但其工作原理是相同的,这里就不一一介绍了。


mosfet特性详解

讲完什么是mosfet及mosfet结构之后欧,我们现在来看看mosfet特性。


1、mosfet特性-静态特性;其转移特性和输出特性如图3所示

mosfet特性

图3

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性,ID较大时,ID与UGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导Gfs。


mosfet特性,MOSFET的漏极伏安特性(输出特性):截止区(对应于GTR的截止区);饱和区(对应于GTR的放大区);非饱和区(对应于GTR的饱和区)。电力 MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。


2、mosfet特性-动态特性;其测试电路和开关过程波形如图4所示

mosfet特性

图4


开通过程;开通延迟时间td(on) —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段;


上升时间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段;


iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关,UGS达到UGSP后,在up作用下继续升高直至达到稳态,但iD已不变。


开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。


关断延迟时间td(off) —up下降到零起,Cin通过Rs和RG放电,uGS按指数曲线下降到UGSP时,iD开始减小为零的时间段。


下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起,iD减小,到uGS


关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。


降低高压MOSFET导通电阻的原理与方法

1、不同耐压的MOSFET的导通电阻分布

不同耐压的MOSFET,其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同。如耐压30V的MOSFET,其外延层电阻仅为 总导通电阻的29%,耐压600V的MOSFET的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。由此可以推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外 延层电阻占据。欲获得高阻断电压,就必须采用高电阻率的外延层,并增厚。这就是常规高压MOSFET结构所导致的高导通电阻的根本原因。


2、降低高压MOSFET导通电阻的思路

增加管芯面积虽能降低导通电阻,但成本的提高所付出的代价是商业品所不允许的。引入少数载流子导电虽能降低导通压降,但付出的代价是开关速度的降低并出现拖尾电流,开关损耗增加,失去了MOSFET的高速的优点。


以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻,所剩的思路就是如何将阻断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高掺杂、低电阻率分开解决。如除 导通时低掺杂的高耐压外延层对导通电阻只能起增大作用外并无其他用途。这样,是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现,而在MOSFET关断时,设法使 这个通道以某种方式夹断,使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N-外延层。基于这种思想,1988年INFINEON推出内建横向电场耐压为600V的 COOLMOS,使这一想法得以实现。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图5所示。


与常规MOSFET结构不同,内建横向电场的MOSFET嵌入垂直P区将垂直导电区域的N区夹在中间,使MOSFET关断时,垂直的P与N之间建立横向电场,并且垂直导电区域的N掺杂浓度高于其外延区N-的掺杂浓度。


当VGS<VTH时,由于被电场反型而产生的N型导电沟道不能形成,并且D,S间加正电压,使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层,并将垂直导电的N 区耗尽。这个耗尽层具有纵向高阻断电压,如图5(b)所示,这时器件的耐压取决于P与N-的耐压。因此N-的低掺杂、高电阻率是必需的。

mosfet特性

图5


当CGS>VTH时,被电场反型而产生的N型导电沟道形成。源极区的电子通过导电沟道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷,从而恢复被耗尽的N型特性,因此导电沟道形成。由于垂直N区具有较低的电阻率,因而导通电阻较常规MOSFET将明显降低。


通过以上分析可以看到:阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域。将阻断电压与导通电阻功能分开,解决了阻断电压与导通电阻的矛盾,同时也将阻断时的表面PN结转化为掩埋PN结,在相同的N-掺杂浓度时,阻断电压还可进一步提高。


mosfet主要参数

场效应管的参数很多,包括直流参数、交流参数和极限参数,但一般使用时关注以下主要参数:


1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流。


2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。


3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。


4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。


5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。


6、PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。


7、IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM 。


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