功率场效应管的原理和特点及参数

功率场效应管又叫功率场控晶体管。

一．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：

N沟道                        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。

二．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。

三．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

图1-4：MOSFET的转移特性

（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。

图1-5：MOSFET的输出特性

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。

图1-6：栅极电荷特性

（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。

图1-7：正向偏置安全工作区

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