power mosfet概述 原理|結(jié)構(gòu)|特性|主要參數(shù)|注意事項(xiàng)詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-08-26
power mosfet，中文是電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的意思。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為兩種類型，結(jié)型和絕緣柵型，但通常所說的是絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）。
P-MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流，它的顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(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。
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(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,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)來表示.跨導(dǎo)定義為 (1) 圖中 UT 為開啟電壓,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,它影響器件的開關(guān)過程.由于該器件為單極型,靠多數(shù)載流子導(dǎo) 電,因此開關(guān)速度快,時(shí)間短,一般在納秒數(shù)量級(jí).
power mosfet的動(dòng)態(tài)特性.如圖所示.
power mosfet柵極電阻;RL 為漏極負(fù)載電阻;RF 用以檢測(cè)漏極 電流.power mosfet的開關(guān)過程波形,如圖 3(b)所示. power mosfet的開通過程:由于 Power MOSFET 有輸入電容,因此當(dāng)脈 沖電壓 up 的上升沿到來時(shí),輸入電容有一個(gè)充電過程,柵極電壓 uGS 按指數(shù)曲線 上升.當(dāng) uGS 上升到開啟電壓 UT 時(shí),開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流 iD.從 up 前沿時(shí)刻到 uGS=UT,且開始出現(xiàn) iD 的時(shí)刻,這段時(shí)間稱為開通延時(shí)時(shí)間 td(on).此 后,iD 隨 uGS 的上升而上升,uGS 從開啟電壓 UT 上升到power mosfet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power mosfet的開通時(shí)間
ton=td(on)+tr(2)
power mosfet 的關(guān)斷過程: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 uGS
toff=td(off)+tf (3)
從上述分析可知,要提高器件的開關(guān)速度,則必須減小開關(guān)時(shí)間.在輸入電 容一定的情況下,可以通過降低驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻 RS 來加快開關(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.但在開關(guān)過程 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。
power mosfet的主要參數(shù)
除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓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(dǎo)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(dǎo)體中的多數(shù)載流子-電子由源極出發(fā)，經(jīng)過溝道到達(dá)漏極形成漏極電流ID。
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(jié)合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓、大電流。
1) 高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導(dǎo)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)栴}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Bulk端的PN結(jié)擊穿只能靠降低PN結(jié)兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區(qū)上就可以了。
2) 大電流：一般的MOSFET的溝道長(zhǎng)度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠?jī)纱螖U(kuò)散的結(jié)深差來控制，所以只要process穩(wěn)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?qū)崿F(xiàn)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(zhǎng)，太浪費(fèi)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(fù)雜性增加而且需要隔離。
所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區(qū)長(zhǎng)度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結(jié)構(gòu)更利于管子之間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結(jié)構(gòu)，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放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來的(如下圖)，他就是傳說中的Planar VDMOS，它和傳統(tǒng)的LDMOS比挑戰(zhàn)在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結(jié)構(gòu)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。
再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點(diǎn)，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結(jié)構(gòu)。他們的做法是在Wafer表面挖一個(gè)槽，把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的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(jié)構(gòu)天生的缺點(diǎn)是槽太深容易電場(chǎng)集中而導(dǎo)致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對(duì)rouding，否則很容易擊穿或者產(chǎn)生應(yīng)力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點(diǎn)是晶飽數(shù)量比原來多很多，所以可以實(shí)現(xiàn)更多的晶體管并聯(lián)，比較適合低電壓大電流的application。
防止靜電擊穿時(shí)應(yīng)注意：
(1)在MOSFET測(cè)試和接人電路之前，應(yīng)存放在靜電包裝袋、導(dǎo)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(yīng)拿管殼部分而不是引線部分。工作人員需通過腕帶良好接地。
(2)將MOSFET接入電路時(shí)，工作臺(tái)和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)電烙鐵功率應(yīng)不超過25W，最好是用內(nèi)熱式烙鐵。先焊柵極，后焊漏極與源極。
(3)在測(cè)試MOSFET時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)都必須良好接地，并盡量減少相同儀器的使用次數(shù)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(cè)試儀器或電路前．不要施加電壓。改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零。
(4)注意柵極電壓不要過限。有些型號(hào)的電力MOSFET內(nèi)部輸入端接有齊納保護(hù)二極管，這種器件柵源間的反向電壓不得超過0．3V，對(duì)于內(nèi)部未設(shè)齊納保護(hù)：極管的器件，應(yīng)在柵源同外接齊納保護(hù)二極管或外接其他保護(hù)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(xiàn)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(dǎo)電性物質(zhì)。例如：導(dǎo)電性底板、空氣離子化增壓器等，并避免操作現(xiàn)場(chǎng)放置易產(chǎn)生靜電的物質(zhì)，保證操作現(xiàn)場(chǎng)濕度適當(dāng)。當(dāng)濕度過高時(shí)，可采取加溫措施，正確的操作現(xiàn)場(chǎng)防靜電措施。
電力MOSFET在與測(cè)試儀器、接插盒等儀器的輸入電容、輸入電阻匹配不當(dāng)時(shí)，可能出現(xiàn)偶然性振蕩，造成器件損壞。因此，在用圖示儀等儀器測(cè)試時(shí)，在器件的柵極端子處接lOkfl串聯(lián)電阻，也可在柵源問外接約0．5妒的電容器。
(1)場(chǎng)效應(yīng)晶體管互導(dǎo)大小與工作區(qū)有關(guān)，電壓越低則越高。
(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的豫、漏極可以互換使用。
(3)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管．在柵極開路時(shí)極易受周圍磁場(chǎng)作用，會(huì)產(chǎn)生瞬問高電壓使柵極擊穿。故在存放時(shí)，應(yīng)將三個(gè)引腳短路，防止靜電感應(yīng)電荷擊穿絕緣柵。
(4)工作點(diǎn)的選擇，應(yīng)不得超過額定漏源電壓、柵源電壓、耗散功率及最大電流所允許的數(shù)值。
(5)測(cè)試絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，測(cè)試儀器應(yīng)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(yīng)晶體管性能惡化。
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