电力场效应管

电力场效应管又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET），结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。

特点

用栅极电压来控制漏极电流

驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于GTR。

电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。

结构

小功率MOS管是横向导电器件。

电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。

按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。

电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）

截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压UGS

当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

基本特性

静态特性

（1）漏极电流ID和栅源间电压

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。

ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。

(2)MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：

截止区（对应于GTR的截止区）

饱和区（对应于GTR的放大区）

非饱和区（对应GTR的饱和区）

工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时导通。

通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

(3)动态特性

开通过程

开通延迟时间td(on)

上升时间tr

开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和

关断过程

关断延迟时间td(off)

下降时间tf

关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和

MOSFET的开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。

可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。

不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。

开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。

场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。

开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

主要参数

除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：

(1)漏极电压UDS——电力MOSFET电压定额

(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额

(3)栅源电压UGS—— UGS>20V将导致绝缘层击穿。

(4)极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS

间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。

注意事项

1、防止静电击穿

静电是相对于另一表面或相对于地的一物体表丽上电子的过剩或不足。过剩电子的表面带有负电，电子不足的表面带有正电。静电一般由磨擦或感应产生。电力MOSFET的最大优点是具有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难于泄放电荷，容易引起静电击穿。静电击穿有两种形式：一是电压型，即栅极的薄氧化层发生击穿而形成针孔，使栅极和源极间短路，或者使栅极和漏极间短路；二是功率型，即金属化薄膜铝条被熔断，造成栅极开路或者是源极开路。造成静电击穿的电荷源可能是器件本身，也可能是与之接触的外部带电物体，或带电人体。在干燥环境中，活动的人体电位可达数千伏甚至上万伏，所以人体是引起电力MOSFET静电击穿的主要电荷源之一。引起电力MOSFET静电击穿所需的静电电压为1000v或更高些(取决于芯片太小)。对于带电的电力MOSFET，当它与周围物体的几何位置发生相应变化，这会使器件电压升高，从而造成器件损坏。有时，如带电荷的器件与地短接，则放电瞬间会造成器件损坏。在电场中，由于静电感应电力MOSFET将产生感应电场，故当器件处于强电场中时．会发生栅极绝缘体击穿。

防止静电击穿时应注意：(1)在MOSFET测试和接人电路之前，应存放在静电包装袋、导电材料或金属容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用时应拿管壳部分而不是引线部分。工作人员需通过腕带良好接地。(2)将MOSFET接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好是用内热式烙铁。先焊栅极，后焊漏极与源极。(3)在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，从而尽快作业。MOsFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前．不要施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。(4)注意栅极电压不要过限。有些型号的电力MOSFET内部输入端接有齐纳保护二极管，这种器件栅源间的反向电压不得超过0．3V，对于内部未设齐纳保护：极管的器件，应在栅源同外接齐纳保护二极管或外接其他保护电路。(5)使用MOSFET时，尽最不穿易产生静电荷的服装(如尼龙服装)。(6)在操作现场，要尽量回避易带电的绝缘体(特别是化学纤维和靼料易带电)和使用导电性物质。例如：导电性底板、空气离子化增压器等，并避免操作现场放置易产生静电的物质，保证操作现场湿度适当。当湿度过高时，可采取加温措施，正确的操作现场防静电措施。

2、防止偶然性振荡损坏器件

电力MOSFET在与测试仪器、接插盒等仪器的输入电容、输入电阻匹配不当时，可能出现偶然性振荡，造成器件损坏。因此，在用图示仪等仪器测试时，在器件的栅极端子处接lOkfl串联电阻，也可在栅源问外接约0．5妒的电容器。

(1)场效应晶体管互导大小与工作区有关，电压越低则越高。

(2)结型场效应晶体管的豫、漏极可以互换使用。

(3)绝缘栅型场效应晶体管．在栅极开路时极易受周围磁场作用，会产生瞬问高电压使栅极击穿。故在存放时，应将三个引脚短路，防止静电感应电荷击穿绝缘栅。

(4)工作点的选择，应不得超过额定漏源电压、栅源电压、耗散功率及最大电流所允许的数值。

(5)测试绝缘栅场效应晶体管时，测试仪器应良好接地，以免击穿栅极。

(6)需采取防潮措施，防止由于输入阻抗下降造成场效应晶体管性能恶化。

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