power mosfet概述 原理|結構|特性|主要參數|注意事項詳解

什么是power mosfet

power mosfet，中文是電力場(chǎng)效應晶體管的意思。電力場(chǎng)效應晶體管分為兩種類(lèi)型，結型和絕緣柵型，但通常所說(shuō)的是絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFET（Power MOSFET）。

P-MOSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，它的顯著(zhù)特點(diǎn)是驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高；但是其電流容量小，耐壓低，只用于小功率的電力電子裝置，其工作原理與普通MOSFET一樣。

特性

power mosfet的主要特性如下：power mosfet靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉移特性, 與靜態(tài)特性對應的主 要參數有漏極擊穿電壓,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(xiàn),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(xiàn)性關(guān)系變化.

(2) 轉移特性 轉移特性表示漏極電流 ID 與柵源之間電壓 UGS 的轉移特性關(guān)系曲線(xiàn), 如圖 2(a) 所示. 轉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,因此用跨導這一參數來(lái)表示.跨導定義為 (1) 圖中 UT 為開(kāi)啟電壓,只有當 UGS=UT 時(shí)才會(huì )出現導電溝道,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,靠多數載流子導 電,因此開(kāi)關(guān)速度快,時(shí)間短,一般在納秒數量級.

power mosfet的動(dòng)態(tài)特性.如圖所示.

power mosfet柵極電阻;RL 為漏極負載電阻;RF 用以檢測漏極 電流.power mosfet的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形,如圖 3(b)所示. power mosfet的開(kāi)通過(guò)程:由于 Power MOSFET 有輸入電容,因此當脈 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 按指數曲線(xiàn) 上升.當 uGS 上升到開(kāi)啟電壓 UT 時(shí),開(kāi)始形成導電溝道并出現漏極電流 iD.從 up 前沿時(shí)刻到 uGS=UT,且開(kāi)始出現 iD 的時(shí)刻,這段時(shí)間稱(chēng)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power mosfet臨近飽和區 的柵極電壓 uGSP 這段時(shí)間,稱(chēng)為上升時(shí)間 tr.這樣power mosfet的開(kāi)通時(shí)間

ton=td(on)+tr(2)

power mosfet 的關(guān)斷過(guò)程:當 up 信號電壓下降到 0 時(shí),柵極輸入電容上儲 存的電荷通過(guò)電阻 RS 和 RG 放電,使柵極電壓按指數曲線(xiàn)下降,當下降到 uGSP 繼 續下降,iD 才開(kāi)始減小,這段時(shí)間稱(chēng)為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間 td(off).此后,輸入電容繼續 放電,uGS 繼續下降,iD 也繼續下降,到 uGST 時(shí)導電溝道消失,iD=0, 這段時(shí)間稱(chēng)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)降低驅動(dòng)電路的內阻 RS 來(lái)加快開(kāi)關(guān)速度. 電力場(chǎng)效應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,需要對輸入電容進(jìn)行充放電,故仍需要一定的驅動(dòng)功率.工作速度越快,需 要的驅動(dòng)功率越大。

主要參數

power mosfet的主要參數

除跨導Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(1)漏極電壓UDS——電力MOSFET電壓定額

(2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額

(3)柵源電壓UGS—— UGS>20V將導致絕緣層擊穿 。

(4)極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS

間加正向電壓使N型半導體中的多數載流子-電子由源極出發(fā)，經(jīng)過(guò)溝道到達漏極形成漏極電流ID。

power mosfet結構、原理、正向導通解析

所謂功率MOS就是要承受大功率，換言之也就是高電壓、大電流。我們結合一般的低壓MOSFET來(lái)講解如何改變結構實(shí)現高壓、大電流。

1) 高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導致器件擊穿，而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解決高壓?jiǎn)?wèn)題必須堵死這三端。Gate端只能靠場(chǎng)氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate)，而B(niǎo)ulk端的PN結擊穿只能靠降低PN結兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個(gè)長(cháng)長(cháng)的漂移區來(lái)作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區上就可以了。

2) 大電流：一般的MOSFET的溝道長(cháng)度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠?jì)纱螖U散的結深差來(lái)控制，所以只要process穩定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L，所以如果要獲得大電流，只需要提高W就可以了。

雖然這樣的器件能夠實(shí)現大功率要求，可是它依然有它固有的缺點(diǎn)，由于它的源、柵、漏三端都在表面，所以漏極與源極需要拉的很長(cháng)，太浪費芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯(lián)則復雜性增加而且需要隔離。

所以后來(lái)發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區長(cháng)度完全可以通過(guò)背面減薄來(lái)控制，而且這樣的結構更利于管子之間的并聯(lián)結構實(shí)現大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結構，為了與CMOS兼容。

再給大家講一下VDMOS的發(fā)展及演變吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過(guò)背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來(lái)的(如下圖)，他就是傳說(shuō)中的Planar VDMOS，它和傳統的LDMOS比挑戰在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結構的缺點(diǎn)在于它溝道是橫在表面的，面積利用率還是不夠高。

再后來(lái)為了克服Planar DMOS帶來(lái)的缺點(diǎn)，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結構。他們的做法是在Wafer表面挖一個(gè)槽，把管子的溝道從原來(lái)的Planar變成了沿著(zhù)槽壁的vertical，果然是個(gè)聰明的想法。但是一個(gè)餡餅總是會(huì )搭配一個(gè)陷阱(IC制造總是在不斷trade-off)，這樣的結構天生的缺點(diǎn)是槽太深容易電場(chǎng)集中而導致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對rouding，否則很容易擊穿或者產(chǎn)生應力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點(diǎn)是晶飽數量比原來(lái)多很多，所以可以實(shí)現更多的晶體管并聯(lián)，比較適合低電壓大電流的application。

power mosfet注意事項
1、防止靜電擊穿

防止靜電擊穿時(shí)應注意：

(1)在MOSFET測試和接人電路之前，應存放在靜電包裝袋、導電材料或金屬容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用時(shí)應拿管殼部分而不是引線(xiàn)部分。工作人員需通過(guò)腕帶良好接地。

(2)將MOSFET接入電路時(shí)，工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)電烙鐵功率應不超過(guò)25W，最好是用內熱式烙鐵。先焊柵極，后焊漏極與源極。

(3)在測試MOSFET時(shí)，測量?jì)x器和工作臺都必須良好接地，并盡量減少相同儀器的使用次數和使用時(shí)間，從而盡快作業(yè)。MOsFET的三個(gè)電極未全部接入測試儀器或電路前．不要施加電壓。改換測試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復到零。

(4)注意柵極電壓不要過(guò)限。有些型號的電力MOSFET內部輸入端接有齊納保護二極管，這種器件柵源間的反向電壓不得超過(guò)0．3V，對于內部未設齊納保護：極管的器件，應在柵源同外接齊納保護二極管或外接其他保護電路。

(5)使用MOSFET時(shí)，盡最不穿易產(chǎn)生靜電荷的服裝(如尼龍服裝)。

(6)在操作現場(chǎng)，要盡量回避易帶電的絕緣體(特別是化學(xué)纖維和靼料易帶電)和使用導電性物質(zhì)。例如：導電性底板、空氣離子化增壓器等，并避免操作現場(chǎng)放置易產(chǎn)生靜電的物質(zhì)，保證操作現場(chǎng)濕度適當。當濕度過(guò)高時(shí)，可采取加溫措施，正確的操作現場(chǎng)防靜電措施。

2、防止偶然性振蕩損壞器件

電力MOSFET在與測試儀器、接插盒等儀器的輸入電容、輸入電阻匹配不當時(shí)，可能出現偶然性振蕩，造成器件損壞。因此，在用圖示儀等儀器測試時(shí)，在器件的柵極端子處接lOkfl串聯(lián)電阻，也可在柵源問(wèn)外接約0．5妒的電容器。

(1)場(chǎng)效應晶體管互導大小與工作區有關(guān)，電壓越低則越高。

(2)結型場(chǎng)效應晶體管的豫、漏極可以互換使用。

(3)絕緣柵型場(chǎng)效應晶體管．在柵極開(kāi)路時(shí)極易受周?chē)艌?chǎng)作用，會(huì )產(chǎn)生瞬問(wèn)高電壓使柵極擊穿。故在存放時(shí)，應將三個(gè)引腳短路，防止靜電感應電荷擊穿絕緣柵。

(4)工作點(diǎn)的選擇，應不得超過(guò)額定漏源電壓、柵源電壓、耗散功率及最大電流所允許的數值。

(5)測試絕緣柵場(chǎng)效應晶體管時(shí)，測試儀器應良好接地，以免擊穿柵極。

(6)需采取防潮措施，防止由于輸入阻抗下降造成場(chǎng)效應晶體管性能惡化。

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