功率場(chǎng)效應管的原理、特點(diǎn)、參數及對比等詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-01-17
功率MOS場(chǎng)效應晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著(zhù)氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應來(lái)控制半導體（S）的場(chǎng)效應晶體管。
半導體結構分析略。本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱。
實(shí)際上，功率場(chǎng)效應管也分結型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。
它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號如下：
N溝道與P溝道
圖1-3：MOSFET的圖形符號
MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。
和普通MOS管一樣，它也有：
耗盡型：柵極電壓為零時(shí)，即存在導電溝道。無(wú)論VGS正負都起控制作用。
增強型：需要正偏置柵極電壓，才生成導電溝道。達到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。
一般使用的功率MOSFET多數是N溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向導電結構，使用了垂直導電結構，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。
這種器件的特點(diǎn)是輸入絕緣電阻大（1萬(wàn)兆歐以上），柵極電流基本為零。
驅動(dòng)功率小，速度高，安全工作區寬。但高壓時(shí)，導通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。
適合低壓100V以下，是比較理想的器件。
目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。
其速度可以達到幾百KHz，使用諧振技術(shù)可以達到兆級。
無(wú)載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時(shí)間，與工作溫度關(guān)系不大，故熱穩定性好。
（1） 轉移特性：
ID隨UGS變化的曲線(xiàn)，成為轉移特性。從下圖可以看到，隨著(zhù)UGS的上升，跨導將越來(lái)越高。
（2） 輸出特性（漏極特性）：
輸出特性反應了漏極電流隨VDS變化的規律。
這個(gè)特性和VGS又有關(guān)聯(lián)。下圖反映了這種規律。
圖中，爬坡段是非飽和區，水平段為飽和區，靠近橫軸附近為截止區，這點(diǎn)和GTR有區別。
VGS=0時(shí)的飽和電流稱(chēng)為飽和漏電流IDSS。
（3）通態(tài)電阻Ron：
通態(tài)電阻是器件的一個(gè)重要參數，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。
該參數隨溫度上升線(xiàn)性增加。而且VGS增加，通態(tài)電阻減小。
（4）跨導：
MOSFET的增益特性稱(chēng)為跨導。定義為：
Gfs=ΔID/ΔVGS
顯然，這個(gè)數值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。
（5）柵極閾值電壓
柵極閾值電壓VGS是指開(kāi)始有規定的漏極電流（1mA）時(shí)的最低柵極電壓。它具有負溫度系數，結溫每增加45度，閾值電壓下降10%。
（6）電容
MOSFET的一個(gè)明顯特點(diǎn)是三個(gè)極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對開(kāi)關(guān)速度有一定影響。偏置電壓高時(shí)，電容效應也加大，因此對高壓電子系統會(huì )有一定影響。
有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：
可以看到：器件開(kāi)通延遲時(shí)間內，電荷積聚較慢。隨著(zhù)電壓增加，電荷快速上升，對應著(zhù)管子開(kāi)通時(shí)間。最后，當電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時(shí)管子已經(jīng)導通。
（8）正向偏置安全工作區及主要參數
MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區。不同的是，它的安全工作區是由四根線(xiàn)圍成的。
最大漏極電流IDM：這個(gè)參數反應了器件的電流驅動(dòng)能力。
最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。
最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。
漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個(gè)參數，通態(tài)電阻過(guò)高，會(huì )影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據使用要求加以限制。
功率MOSFET場(chǎng)效應管從驅動(dòng)模式上看，屬于電壓型驅動(dòng)控制元件，驅動(dòng)電路的設計比較簡(jiǎn)單，所需驅動(dòng)功率很小。采用功率MOSFET場(chǎng)效應作為開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)，在啟動(dòng)或穩態(tài)工作條件下，功率MOSFET場(chǎng)效應管的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。功率場(chǎng)效應管與雙極型功率晶體管之間的特性比較如下：
1. 驅動(dòng)方式：場(chǎng)效應管是電壓驅動(dòng)，電路設計比較簡(jiǎn)單，驅動(dòng)功率??；功率晶體管是電流驅動(dòng)，設計較復雜，驅動(dòng)條件選擇困難，驅動(dòng)條件會(huì )影響開(kāi)關(guān)速度。
2. 開(kāi)關(guān)速度：場(chǎng)效應管無(wú)少數載流子存儲效應，溫度影響小，開(kāi)關(guān)工作頻率可達150KHz以上；功率晶體管有少數載流子存儲時(shí)間限制其開(kāi)關(guān)速度，工作頻率一般不超過(guò)50KHz。
3. 安全工作區：功率場(chǎng)效應管無(wú)二次擊穿，安全工作區寬；功率晶體管存在二次擊穿現象，限制了安全工作區。
4. 導體電壓：功率場(chǎng)效應管屬于高電壓型，導通電壓較高，有正溫度系數；功率晶體管無(wú)論耐電壓的高低，導體電壓均較低，具有負溫度系數。
5. 峰值電流：功率場(chǎng)效應管在開(kāi)關(guān)電源中用做開(kāi)關(guān)時(shí)，在啟動(dòng)和穩態(tài)工作時(shí)，峰值電流較低；而功率晶體管在啟動(dòng)和穩態(tài)工作時(shí)，峰值電流較高。
6. 產(chǎn)品成本：功率場(chǎng)效應管的成本略高；功率晶體管的成本稍低。
7. 熱擊穿效應：功率場(chǎng)效應管無(wú)熱擊穿效應；功率晶體管有熱擊穿效應。
8. 開(kāi)關(guān)損耗：場(chǎng)效應管的開(kāi)關(guān)損耗很??；功率晶體管的開(kāi)關(guān)損耗比較大。
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