功率场效应晶体管、16绝缘栅双极型晶体管

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1、第一章电力半导体器件1.0电力电子器件概述1.1功率二极管1.2晶闸管1.3可关断晶闸管(GTO)1.4电力晶体管(GTR)1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET)1.6绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1.7电力电子器件散热、串并联及缓冲保护1.5功率场效应晶体管—全控型1.5.1P-MOSFET的结构与工作原理1.5.2P-MOSFET的基本特性1.5.3P-MOSFET的主要参数1.5.4P-MOSFET的安全工作区1.5.5P-MOSFET的门极驱动电路1.5功率场效应晶体管—全控型分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFE

2、T）简称功率MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。(绝缘栅、电压控制器件)开关速度快，工作频率高。(只有多数载流子，无少数载流子积蓄效应)安全区宽，热稳定性优于GTR。（没有类似GTR的二次击穿）电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。功率场效应晶体管(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理P

3、-MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。功率MOSFET主要是N沟道增强型。功率MOSFET的芯片内部结构ＮＮＰＮ－Ｎ＋漏极栅极源极芯片照片断面1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理P-MOSFET的结构是单极型、全控型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图1-19功率MOSFET的结构和电气图形符号漏极源极栅极外延漂移层衬底SiO2绝缘层1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理

4、小功率MOS管是横向导电器件。功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。P-MOSFET的结构1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。P-MOSFET的工作原理导电：在栅源极间加正电压UGS则栅极上的正电压将其下面的P基

5、区中的空穴推开，而将（少子）电子吸引到栅极下的P基区的表面，当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型，成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。UGS数值越大，P-MOSFET导电能力越强，ID也就越大。1.5.2P-MOSFET的基本特性(1)转移特性（TransferCharacteristic）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（小）时，ID与UGS的关系近似（非）线性，曲线的斜率（微变量之比）定义为跨导Gfs。图1-20功率MOSFET的转移特性1）静态特性010203050402468ID/AUTUGS/V△ID△U

6、GS1.5.2P-MOSFET的基本特性(2)输出特性漏极电流ID和漏源间电压UDS的关系称为MOSFET的输出特性，即漏极伏安特性。分为四个区：非饱和区（可变电阻区）、饱和区（恒流区）、击穿区（雪崩区）、截止区（UGS低于开启电压）102030504001020305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20P-MOSFET的输出特性1）静态特性击穿区工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。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。通态电阻，具有正温度系数的直流电阻，对器件并

7、联时的均流有利。1.5.2P-MOSFET的基本特性开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和ton＝td(on)＋tr关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和toff＝td(off)＋tfa）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21P-MOSFE