電力場(chǎng)效應(yīng)管工作原理

電力場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)介

電力場(chǎng)效應(yīng)管又名電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型，通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET），結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。

電力場(chǎng)效應(yīng)管外形與結(jié)構(gòu)

小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu) 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。由于N溝道增強(qiáng)型MOS管最為常用，因此下面主要介紹這種類型的MOS管。外形與結(jié)構(gòu)，N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱增強(qiáng)型NMOS管）如圖2-14所示。

圖 2-14

增強(qiáng)型NMOS管的結(jié)構(gòu)是以P型硅片作為基片（又稱襯底），在基片上制作兩個(gè)含很多雜質(zhì)的N型材料，再在上面制作一層很薄的二氧化硅( SiO2)絕緣層，在兩個(gè)N型材料上引出兩個(gè)鋁電極，分別稱為漏極(D)和源極(S)，在兩極中間的SiO2絕緣層上制作一層鋁制導(dǎo)電層，從該導(dǎo)電層上引出電極稱為G極。P型襯底與D極連接的N型半導(dǎo)體會(huì)形成二極管結(jié)構(gòu)（稱之為寄生二極管），由于P型襯底通常與S極連接在一起，所以增強(qiáng)型NMOS管又可用圖2-14 (c)所示的符號(hào)表示。

電力場(chǎng)效應(yīng)管工作原理

增強(qiáng)型NMOS管需要加合適的電壓才能工作。加有電壓的增強(qiáng)型NMOS管如下圖所示，下圖(a)為結(jié)構(gòu)圖形式，下圖(b)為電路圖形式。

如上圖(a)所示，電源E1通過(guò)R1接場(chǎng)效應(yīng)管的D、S極，電源E2通過(guò)開(kāi)關(guān)S接場(chǎng)效應(yīng)管的G、S極。在開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的G極無(wú)電壓，D、S極所接的兩個(gè)N區(qū)之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，所以兩個(gè)N區(qū)之間不能導(dǎo)通，ID電流為0；如果將開(kāi)關(guān)S閉合，場(chǎng)效應(yīng)管的G極獲得正電壓，與G極連接的鋁電極有正電荷，由此產(chǎn)生的電場(chǎng)穿過(guò)SiO2層，將P襯底很多電子吸引靠近至SiO2層，從而在兩個(gè)N區(qū)之間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，此時(shí)D、S極之間被加上正向電壓，從而有ID電流從D極流入，再經(jīng)導(dǎo)電溝道從S極流出。

如果改變E2電壓的大小，即改變G、S極之間的電壓UGS，與G極相通的鋁層產(chǎn)生的電場(chǎng)大小就會(huì)變化，SiO2下面的電子數(shù)量就會(huì)變化，兩個(gè)N區(qū)之間溝道寬度就會(huì)變化，流過(guò)的ID電流大小就會(huì)變化。UGS電壓越高，溝道就會(huì)越寬，ID電流就會(huì)越大。

由此可見(jiàn)，改變G、S極之間的電壓UGS，就能改變從D極流向S極的ID電流大小，并且ID電流變化較UGS電壓變化要大得多，這就是場(chǎng)效應(yīng)管的放大原理（即電壓控制電流變化原理）。為了表示場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力，這里引入一個(gè)參數(shù)——跨導(dǎo)gm，gm用下面的公式計(jì)算：

gm反映了柵源電壓Us對(duì)漏極電流ID的控制能力，是表述場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要的參數(shù)（相當(dāng)于三極管的β），gm的單位是西門子(S)，也可以用A/V表示。

增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管具有的特點(diǎn)是：在G、S極之間未加電壓（即UGS=0）時(shí)，D、S極之間沒(méi)有溝道，ID=0；當(dāng)G、S極之間加上合適電壓（大于開(kāi)啟電壓UT）時(shí)，D、S極之間有溝道形成，UGS電壓變化時(shí)，溝道寬窄會(huì)發(fā)生變化，ID電流也會(huì)變化。

對(duì)于N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，G、S極之間應(yīng)加正向電壓（即UG>Us，UGS= UG-US為正電壓），D、S極之間才會(huì)形成溝道；對(duì)于P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，G、S極之間須加反向電壓（即UG

電力場(chǎng)效應(yīng)管特性

電力場(chǎng)效應(yīng)管靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉(zhuǎn)移特性, 與靜態(tài)特性對(duì)應(yīng)的主 要參數(shù)有漏極擊穿電壓,漏極額定電壓,漏極額定電流和柵極開(kāi)啟電壓等.

1、 靜態(tài)特性

(1) 輸出特性 輸出特性即是漏極的伏安特性.特性曲線,如圖 2(b)所示.由圖所見(jiàn),輸出 特性分為截止,飽和與非飽和 3 個(gè)區(qū)域.這里飽和,非飽和的概念與 GTR 不同. 飽和是指漏極電流 ID 不隨漏源電壓 UDS 的增加而增加,也就是基本保持不變;非 飽和是指地 UCS 一定時(shí),ID 隨 UDS 增加呈線性關(guān)系變化.

(2) 轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性表示漏極電流 ID 與柵源之間電壓 UGS 的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系曲線, 如圖 2(a) 所示. 轉(zhuǎn)移特性可表示出器件的放大能力, 并且是與 GTR 中的電流增益 β 相似. 由于 Power MOSFET 是壓控器件,因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來(lái)表示.跨導(dǎo)定義為 (1) 圖中 UT 為開(kāi)啟電壓,只有當(dāng) UGS=UT 時(shí)才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電溝道,產(chǎn)生漏極電流 ID

2、動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的時(shí)間關(guān)系,它影響器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程.由于該器件為單極型,靠多數(shù)載流子導(dǎo) 電,因此開(kāi)關(guān)速度快,時(shí)間短,一般在納秒數(shù)量級(jí).

電力場(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性.如圖所示.

電力場(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性用圖 3(a)電路測(cè)試.圖中,up 為矩形脈沖電壓信 號(hào)源;RS 為信號(hào)源內(nèi)阻;RG 為柵極電阻;RL 為漏極負(fù)載電阻;RF 用以檢測(cè)漏極 電流. 電力場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形,如圖 3(b)所示. 電力場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)通過(guò)程:由于電力場(chǎng)效應(yīng)管有輸入電容,因此當(dāng)脈 沖電壓 up 的上升沿到來(lái)時(shí),輸入電容有一個(gè)充電過(guò)程,柵極電壓 uGS 按指數(shù)曲線 上升.當(dāng) uGS 上升到開(kāi)啟電壓 UT 時(shí),開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流 iD.從 up 前沿時(shí)刻到 uGS=UT,且開(kāi)始出現(xiàn) iD 的時(shí)刻,這段時(shí)間稱為開(kāi)通延時(shí)時(shí)間 td(on).此 后,iD 隨 uGS 的上升而上升,uGS 從開(kāi)啟電壓 UT 上升到電力場(chǎng)效應(yīng)管臨近飽和區(qū) 的柵極電壓 uGSP 這段時(shí)間,稱為上升時(shí)間 tr.這樣電力場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)通時(shí)間：

ton=td(on)+tr(2)

電力場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷過(guò)程:當(dāng) up 信號(hào)電壓下降到 0 時(shí),柵極輸入電容上儲(chǔ) 存的電荷通過(guò)電阻 RS 和 RG 放電,使柵極電壓按指數(shù)曲線下降,當(dāng)下降到 uGSP 繼 續(xù)下降,iD 才開(kāi)始減小,這段時(shí)間稱為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間 td(off).此后,輸入電容繼續(xù) 放電,uGS 繼續(xù)下降,iD 也繼續(xù)下降,到 uGST 時(shí)導(dǎo)電溝道消失,iD=0, 這段時(shí)間稱為下降時(shí)間 tf.這樣 Power MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間。

toff=td(off)+tf (3)

從上述分析可知,要提高器件的開(kāi)關(guān)速度,則必須減小開(kāi)關(guān)時(shí)間.在輸入電 容一定的情況下,可以通過(guò)降低驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻 RS 來(lái)加快開(kāi)關(guān)速度. 電力場(chǎng)效應(yīng)管晶體管是壓控器件,在靜態(tài)時(shí)幾乎不輸入電流.但在開(kāi)關(guān)過(guò)程 中,需要對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電,故仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率.工作速度越快,需 要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

主要參數(shù)

靜態(tài)參數(shù)

(1) 漏極擊穿電壓 BUD BUD 是不使器件擊穿的極限參數(shù),它大于漏極電壓額定值.BUD 隨結(jié)溫的升高而 升高,這點(diǎn)正好與 GTR 和 GTO 相反.

(2) 漏極額定電壓 UD UD 是器件的標(biāo)稱額定值.

(3) 漏極電流 ID 和 IDM ID 是漏極直流電流的額定參數(shù);IDM 是漏極脈沖電流幅值.

(4) 柵極開(kāi)啟電壓 UT UT 又稱閥值電壓,是開(kāi)通 Power MOSFET 的柵-源電壓,它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲 線與橫軸的交點(diǎn).施加的柵源電壓不能太大,否則將擊穿器件.

(5) 跨導(dǎo) gm gm 是表征 Power MOSFET 柵極控制能力的參數(shù). 三,電力場(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性和主要參數(shù)

動(dòng)態(tài)參數(shù)

(1) 極間電容 Power MOSFET 的 3 個(gè)極之間分別存在極間電容 CGS,CGD,CDS.

(2) 漏源電壓上升率 器件的動(dòng)態(tài)特性還受漏源電壓上升率的限制,過(guò)高的 du/dt 可能導(dǎo)致電路性 能變差,甚至引起器件損壞。

保護(hù)措施及注意事項(xiàng)

電力場(chǎng)效應(yīng)管的絕緣層易被擊穿是它的致命弱點(diǎn),柵源電壓一般不得超過(guò)± 20V.因此,在應(yīng)用時(shí)必須采用相應(yīng)的保護(hù)措施.通常有以下幾種:

(1) 防靜電擊穿 電力場(chǎng)效應(yīng)管最大的優(yōu)點(diǎn)是有極高的輸入阻抗, 因此在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合易被 靜電擊穿.為此,應(yīng)注意:

①儲(chǔ)存時(shí), 應(yīng)放在具有屏蔽性能的容器中, 取用時(shí)工作人員要通過(guò)腕帶良好接地;

②在器件接入電路時(shí),工作臺(tái)和烙鐵必須良好接地,且烙鐵斷電焊接;

③測(cè)試器件時(shí),儀器和工作臺(tái)都必須良好接地.

(2) 防偶然性震蕩損壞 當(dāng)輸入電路某些參數(shù)不合適時(shí),可能引志震蕩而造成器件損壞.為此,可在 柵極輸入電路中串入電阻.

(3) 防柵極過(guò)電壓 可在柵源之間并聯(lián)電阻或約 20V 的穩(wěn)壓二極管.

(4) 防漏極過(guò)電流 由于過(guò)載或短路都會(huì)引起過(guò)大的電流沖擊,超過(guò) IDM 極限值,此時(shí)必須采用 快速保護(hù)電路使用器件迅速斷開(kāi)主回路

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