功率場效應電晶體的工作特性

2020-11-25 電子發燒友

功率場效應電晶體的工作特性

發表於 2019-10-11 10:26:31

　　功率場效應電晶體

　　功率MOS場效應電晶體，即MOSFET，其原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor金屬氧化物半導體），FET（FieldEffectTransistor場效應電晶體），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應電晶體。

　　功率場效應電晶體的工作特性

　　1、靜態特性

　　（1）漏極伏安特性

　　漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖2所示，可以分為三個區：可調電阻區Ⅰ，飽和區Ⅱ，擊穿區Ⅲ。在Ⅰ區內，固定柵極電壓UGS，漏源電壓UDS從零上升過程中，漏極電流iD首先線性增長，接近飽和區時，iD變化減緩，而後開始進入飽和。達到飽和區Ⅱ後，此後雖UDS增大，但iD維持恆定。從這個區域中的曲線可以看出，在同樣的漏源電壓UDS下，UGS越高，因而漏極電流iD也大。當UDS過大時，元件會出現擊穿現象，進入擊穿區Ⅲ。

　　（2）轉移特性

　　漏極電流ID與柵源極電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關係，稱為轉移特性，如圖3所示。當ID較大時，該特性基本上為線性。曲線的斜率gｍ＝△ID/△UGS稱為跨導，表示P-MOSFET柵源電壓對漏極電流的控制能力，與GTR的電流增益β含義相似。圖中所示的UGS（th）為開啟電壓，只有UGS》UGS（th）­時才會出現導電溝道，產生柵極電流ID。

　　

　　2、開關特性

　　P-MOSFET是多數載流子器件，不存在少數載流子特有的存貯效應，因此開關時間很短，典型值為20ns，而影響開關速度的主要是器件極間電容。圖4為元件極間電容的等效電路，從中可以求得器件輸入電容為Cin＝CGS＋CGD。正是Cin在開關過程中需要進行充、放電，影響了開關速度。同時也可看出，靜態時雖柵極電流很小，驅動功率小，但動態時由於電容充放電電流有一定強度，故動態驅動仍需一定的柵極功率。開關頻率越高，柵極驅動功率也越大。

　　P-MOSFET的開關過程如圖5所示，其中UP為驅動電源信號，UGS為柵極電壓，iD為漏極電流。當UP信號到來時，輸入電容Cin有一充電過程，使柵極電壓UGS只能按指數規律上升。P-MOSFET的開通時間為ton＝td（on）＋tr。當UP信號下降為零後，柵極輸入電容Ｃin上貯存的電荷將通過信號源進行放電，使柵極電壓UGS按指數下降，到UP結束後的td（off）時刻，iD電流才開始減小，故td（off）稱為關斷延遲時間。P-MOSFET的關斷時間應為toff＝td（off）＋tf。

　　

　　功率場效應管與雙極型功率電晶體特性比較

　　1、驅動方式：場效應管是電壓驅動，電路設計比較簡單，驅動功率小；功率電晶體是電流驅動，設計較複雜，驅動條件選擇困難，驅動條件會影響開關速度。

　　2、開關速度：場效應管無少數載流子存儲效應，溫度影響小，開關工作頻率可達150KHz以上；功率電晶體有少數載流子存儲時間限制其開關速度，工作頻率一般不超過50KHz。

　　3、安全工作區：功率場效應管無二次擊穿，安全工作區寬；功率電晶體存在二次擊穿現象，限制了安全工作區。

　　4、導體電壓：功率場效應管屬於高電壓型，導通電壓較高，有正溫度係數；功率電晶體無論耐電壓的高低，導體電壓均較低，具有負溫度係數。

　　5、峰值電流：功率場效應管在開關電源中用做開關時，在啟動和穩態工作時，峰值電流較低；而功率電晶體在啟動和穩態工作時，峰值電流較高。

　　6、產品成本：功率場效應管的成本略高；功率電晶體的成本稍低。

　　7、熱擊穿效應：功率場效應管無熱擊穿效應；功率電晶體有熱擊穿效應。

　　8、開關損耗：場效應管的開關損耗很小；功率電晶體的開關損耗比較大。

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