場效應管內部結構解析
功率場效應晶體管分為結型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)。結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(Static Induction Transistor——SIT)。
其特點是用柵極電壓來控制漏極電流,驅動電路簡單,需要的驅動功率小,開關速度快,工作頻率高,熱穩定性優于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。
功率MOSFET的種類:按導電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為;耗盡型;當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道,增強型;對于N(P)溝道器件,柵極電壓大于(小于)零時才存在導電溝道,功率MOSFET主要是N溝道增強型。
場效應管內部結構
場效應管的內部結構和電氣符號如圖1所示;其導通時只有一種極性的載流子(多子)參與導電,是單極型晶體管。
導電機理與小功率場效應管相同,但結構上有較大區別,小功率場效應管是橫向導電器件,場效應管大都采用垂直導電結構,又稱為VMOSFET(Vertical MOSFET),大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。
場效應管工作原理
截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏,漏源極之間無電流流過。
導電: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。但柵極的正電壓會將其下面P區中的空穴推開,而將P區中的少子—電子吸引到柵極下面的P區表面。
當UGS大于UT(開啟電壓或閾值電壓)時,柵極下P區表面的電子濃度將超過空穴濃度,使P型半導體反型成N型而成為反型層,該反型層形成N溝道而使PN結J1消失,漏極和源極導電。
基本特性
靜態特性;其轉移特性和輸出特性如圖2所示。
漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性,ID較大時,ID與UGS的關系近似線性,曲線的斜率定義為跨導Gfs
MOSFET的漏極伏安特性(輸出特性):截止區(對應于GTR的截止區);飽和區(對應于GTR的放大區);非飽和區(對應于GTR的飽和區)。
電力 MOSFET工作在開關狀態,即在截止區和非飽和區之間來回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管,漏源極間加反向電壓時器件導通。電力 MOSFET的通態電阻具有正溫度系數,對器件并聯時的均流有利。
動態特性;其測試電路和開關過程波形如圖3所示。
開通過程;開通延遲時間td(on) —up前沿時刻到uGS=UT并開始出現iD的時刻間的時間段;
上升時間tr— uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區的柵壓UGSP的時間段;
iD穩態值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩態值有關,UGS達到UGSP后,在up作用下繼續升高直至達到穩態,但iD已不變。
開通時間ton—開通延遲時間與上升時間之和。
關斷延遲時間td(off) —up下降到零起,Cin通過Rs和RG放電,uGS按指數曲線下降到UGSP時,iD開始減小為零的時間段。
下降時間tf— uGS從UGSP繼續下降起,iD減小,到uGS。
關斷時間toff—關斷延遲時間和下降時間之和。
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