功率晶体管(GTR)的特性电子教案
功率晶体管（GTR）的特性
功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展。
—、结构特性
1、结构原理
功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管，简称GTR。它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。但是，由于它主要用在电力电子技术领域，电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处。
对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。由于GTR电流大、功耗大，因此其工作状况出现了新特点、新问题。比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响，必须在结构上采取适当的措施。目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。
三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示。这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低，一般约为10~20g。
图1、功率晶体管结构及符号
图2、达林顿GTR结构
(a)NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing
达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管，可饱和，而V2为输出管，不会饱和。达林顿GTR的电流增益β大大提高，但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。不难推得
IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）
目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块。它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。GTR模块结构紧凑、功能强，因而性能价格比大大提高。
图3、GTR模块的等效电路
2、特性参数
1)输出特性与电流增益
GTR的共射极输出特性如图4所示。可分为四个区，即：阻断区、线性区、准饱和区及深饱和区。用作开关时，应尽量避免工作于线性区，否则功耗很大。进入深饱和区，虽功耗小，但关断时间长且安全工作区变窄.因此一般工作于准饱和区。饱和压降VCES是一重要参数，它越小，GTR的功耗越小。VCES随IC和温度的增加而增大。
图4、共射极电路输出特性
GTR的共射极电流增益β随集电极电流IC和结温Ti变化，如图5所示。可见，大电流时沒下降，限制了 GTR的电流容量。
图5、β~IC关系曲线
2)开关特性
开关过程可分四个阶段：开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态。GTR开关过程的电流波形如图6所示。其中，开通时间ton包括延迟时间td和上升时间tc，关断时间toff 包括存储时间ts和下降时间ti。一般开关时间越短，工作频率越高。为缩短开通时间，可选
场效应晶体管特性
场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。 工作原理场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的漏极电流，用以栅极与沟道间的pn结形成的反偏的栅极电压控制漏极电流ID”。更正确地说，漏极电流ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流漏极电流ID流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，漏极电流ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。 在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS(off)，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。 分类场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。 按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。 场效应管与双极性晶体管的比较，场效应管具有如下特点。 1. 场效应管是电压控制器件，栅极基本不取电流，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏 极电流）；而晶体管是电流控制器件，基极必须取一定的电流。因此，在信号源额定电流极小的情况，应选用场效应管。 2. 场效应管是多子导电，而晶体管的两种载流子均参与导电。由于少子的浓度对温度、 辐射等外界条件很敏感，因此，它的温度稳定性较好；对于环境变化较大的场合，采用场效应管比较合适。 3. 场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用，耗尽型MOS 管的栅——源电压可正可负。因此，使用场效应管比晶体管灵活。 4 . 场效应管除了和晶体管一样可作为放大器件及可控开关外，还可作压控可变线性电阻使用 特点与双极型晶体管相比，（1）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。 （2）场效应管的抗辐射能力强； （3）由于不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
功率场效应管原理
功率场效应晶体管(MOSFET)原理 功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。 一、电力场效应管的结构和工作原理 电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。 电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。 电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。 二、电力场效应管的静态特性和主要参数 Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。{{分页}} 1、静态特性 （1）输出特性 输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2(b)所示。由图所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流I D不随漏源电压U DS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地U CS 一定时，I D随U DS增加呈线性关系变化。 （2）转移特性
场效应管特性
根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件 -------------------------------------------------------------- 1.概念: 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件. 特点: 具有输入电阻高（100000000～1000000000Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者. 作用: 场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器. 场效应管可以用作电子开关. 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源. 2.场效应管的分类:
场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类 按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种. 按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管,而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类.见下图: 3.场效应管的主要参数: Idss —饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流. Up —夹断电压.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压. Ut —开启电压.是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压. gM —跨导.是表示栅源电压UGS —对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值.gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数. BVDS —漏源击穿电压.是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BVDS. PDSM —最大耗散功率,也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量. IDSM —最大漏源电流.是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过IDSM Cds---漏-源电容 Cdu---漏-衬底电容 Cgd---栅-源电容 Cgs---漏-源电容 Ciss---栅短路共源输入电容 Coss---栅短路共源输出电容 Crss---栅短路共源反向传输电容 D---占空比（占空系数，外电路参数） di/dt---电流上升率（外电路参数） dv/dt---电压上升率（外电路参数） ID---漏极电流（直流） IDM---漏极脉冲电流 ID(on)---通态漏极电流 IDQ---静态漏极电流（射频功率管）
功率晶体管(GTR)的特性
功率晶体管（GTR）的特性 功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展。 —、结构特性 1、结构原理 功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管，简称GTR。它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。但是，由于它主要用在电力电子技术领域，电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处。 对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。由于GTR电流大、功耗大，因此其工作状况出现了新特点、新问题。比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响，必须在结构上采取适当的措施。目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。 三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示。这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低，一般约为10~20g。 图1、功率晶体管结构及符号 图2、达林顿GTR结构 (a)NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing 达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管，可饱和，而V2为输出管，不会饱和。达林顿GTR的电流增益β大大提高，但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。不难推得 IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2） 目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块。它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。GTR模块结构紧凑、功能强，因而性能价格比大大提高。
功率场效应管的原理、特点及参数
功率场效应管的原理、特点及参数 功率场效应管的原理、特点及参数 功率场效应管又叫功率场控晶体管。 一．功率场效应管原理：半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感 兴趣的同事可以查阅。实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指 后者中的MOS 管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。它又分为N 沟道、P 沟道两种。器件符号如下： N 沟道P 沟道图1-3：MOSFET 的图形符号MOS 器件的电极分别为栅极G、漏极D、源极S。和普通MOS 管一样，它也有：耗尽型：栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论VGS 正负都起控制作用。增强型：需要正偏置栅极电 压，才生成导电沟道。达到饱和前，VGS 正偏越大，IDS 越大。一般使用的功 率MOSFET 多数是N 沟道增强型。而且不同于一般小功率MOS 管的横向导电 结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫VMOSFET。 二．功率场效应管的特点：这种器件的特点是输入绝缘电阻大（1 万兆欧以上），栅极电流基本为零。驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时， 导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。适合低压 100V 以下，是比较理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A 左右（参考）。 其速度可以达到几百KHz，使用谐振技术可以达到兆级。 三．功率场效应管的参数与器件特性：无载流子注入，速度取决于器件的电 容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。（1）转移特性：ID 随UGS 变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着UGS 的上升，跨导 将越来越高。
GaN功率器件的发展现状
摘要：首先从器件性能和成本等方面分析了为何GaN功率器件是未来功率电子应用的首选技术方案，GaN功率器件具有无可比拟的性能优势，通过采用价格低且口径大的Si衬底，有望实现与硅功率器件相当的价格。其次，简要介绍了GaN功率器件的市场和行业发展现状，市场空间很大，除了专注GaN的新进公司外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷涉足。随后，从材料、器件技术、功率集成技术和可靠性四个方面分别简要介绍了GaN功率器件的技术发展现状。最后，简要列举了部分企业推出GaN功率器件产品的现状。 1 引言 近年来GaN功率器件已经成为了学术界和工业界共同关注和着力研发的热点，特别是Si基GaN功率器件已成为GaN在未来功率电子应用中的首选技术方案，原因如下： 从理论上来讲，与硅类功率器件的性能相比，GaN功率器件的性能具有十分明显的优势。首先，转换效率很高，GaN的禁带宽度是硅的3倍，临界击穿电场是硅10倍，因此，同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右，大大降低了开关的导通损耗;其次，工作频率很高，GaN的电子渡越时间比硅低10倍，电子速度比在硅中高2倍以上，反向恢复时间基本可以忽略，因此GaN开关功率器件的工作频率可以比硅器件提升至少20倍，大大减小了电路中储能元件如电容、电感的体积，从而成倍地减小设备体积，减少铜等贵重原材料消耗，开关频率高还能减少开关损耗，进一步降低电源总的能耗;第三，工作温度很高，GaN的禁带宽度高达3.4eV，本征电子浓度极低，电子很难被激发，因此理论上GaN器件可以工作在800℃以上的高温。 除了上述的GaN功率器件本身的性能优势外，还有如下原因：首先，Si的价格低，具有明显的价格优势;其次，通过外延技术可在更大尺寸的Si 衬底上得到GaN外延片，为GaN 功率器件的产业化与商业化提供了更大的成本优势;第三，大尺寸的GaN-on-Si晶圆可使用已有的成熟的Si 工艺技术和设备，实现大批量的低成本的GaN器件制造;最后，Si基GaN 器件可与Si基的光电器件和数控电路等集成，利于形成直接面对终端应用的功能性模块。 2 市场和行业发展现状 据YoleDeveloppement的报告“Power GaN 2012” [1]，GaN功率器件有巨大的市场空间，2011年半导体功率器件市场空间约为177亿，预计到2020年该市场空间会增加8.1%，达到357亿。应用GaN功率器件的电源市场可能在2014年启动，然后迎来一个高速发展期，到2020年，不含国防预算有望实现20亿美元的销售。 目前，50%功率器件的生产线是6英寸的，很多工厂正在转投8英寸生产线，2011年Infineon成为第一家引进12英寸生产线的工厂。GaN功率器件也进入了发展期，除了专注GaN的新进公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷介入GaN功率器件，有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有曾做化合物半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。对于GaN功率器件供应商，IDM已成主流业态，如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企业。目前，对GaN功率器件企业的投资额还在不断增长，2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展8寸GaN-on-Si 外延片，同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN功率器件，今年5月UK政府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。
氮化镓功率器件-2016版
《氮化镓功率器件-2016版》 POWER GaN 2016: EPITAXY AND DEVICES, APPLICATIONS, AND TECHNOLOGY TRENDS 购买该报告请联系： 麦姆斯咨询王懿 电子邮箱：wangyi#https://www.360docs.net/doc/336420880.html,（#换成@） 氮化镓（GaN）功率器件：一个有前途的、快速增长的市场 氮化镓功率器件市场持续增长，好消息不断 2015~2016年氮化镓（GaN）功率器件市场一直保持增长势头，令人信心满满。截止2014年底，尽管多家厂商发布了一些产品进展公告，但是600V / 650V氮化镓高电子迁移率场效晶体管（HEMT）的商业可用性还存在问题。快到2016年时，终端用户不仅可以从Effcient Power Conversion公司购买到低压（小于200V）氮化镓器件，也可以从Transphorm、GaN Systems和Panasonic等公司购买到高压（600V / 650V）氮化镓器件。 另外，2016年3月初创公司Navitas Semiconductor发布了氮化镓功率IC，随后Dialog Semiconductors于2016年8月发布了氮化镓功率IC。还有一些厂商也想将氮化镓从功率半导体引入更大的模拟IC市场。例如，Effcient Power Conversion公司和GaN Systems公司都在研发一个更加集成化的解决方案，模拟IC领头羊——德州仪器（Texas Instruments）已经涉足氮化镓领域，并在2015年和2016年分别发布了80V功率级和600V功率级产品。 尽管有上述令人振奋的产业发展，但是相比巨大的硅基半导体市场（3350亿美元），氮化镓功率器件市场仍显得很小。事实上，根据Yole调研数据显示，2015年氮化镓功率器件市场低于1000万美元。但是，请再三打量“氮化镓”，它刚刚在市场上抛头露面，所以目前的市场规模是合理的。首个氮化镓器件直到2010年才实现商用，可见氮化镓行业才仅仅6岁。更重要的是氮化镓的未来市场潜力：预计氮化镓功率器件市场将在2021年达到3亿美元，2016~2021年的复合年增率为86%。本报告提供氮化镓功率器件市场及应用，以及未来发展趋势。
N沟道增强型高压功率MOS场效应晶体管SVD4N60D(F)(FG)(T)说明书_1.4-L
SVD4N60D/F(G)/T 说明书
4A、600V N沟道增强型场效应管
描述
SVD4N60D/F(G)/T N沟道增强型高压功率MOS场效应晶体 管采用士兰微电子的S-RinTM平面高压VDMOS 工艺技术制造。 先进的工艺及条状的原胞设计结构使得该产品具有较低的导通电 阻、优越的开关性能及很高的雪崩击穿耐量。 该产品可广泛应用于 AC-DC 开关电源，DC-DC 电源转换 器，高压 H 桥 PWM 马达驱动。
特点
? ? ? ? ?
4A，600V，RDS(on)（典型值）=2.0 Ω@VGS=10V 低栅极电荷量 低反向传输电容 开关速度快 提升了 dv/dt 能力
命名规则
产品规格分类
产 品 名 称 SVD4N60T SVD4N60F SVD4N60FG SVD4N60D SVD4N60DTR 封装形式 TO-220-3L TO-220F-3L TO-220F-3L TO-252-2L TO-252-2L 打印名称 SVD4N60T SVD4N60F SVD4N60FG SVD4N60D SVD4N60D 材料 无铅 无铅 无卤 无铅 无铅 包装 料管 料管 料管 料管 编带
https://www.360docs.net/doc/336420880.html,
版本号：1.4
2011.09.01 共9页 第1页
SVD4N60D/F(G)/T 说明书
极限参数(除非特殊说明，TC=25°C)
参数名称 漏源电压 栅源电压 漏极电流 漏极脉冲电流 耗散功率（TC=25°C） - 大于 25°C 每摄氏度减少 单脉冲雪崩能量（注 1） 工作结温范围 贮存温度范围 TC=25°C TC=100°C 符号 VDS VGS ID IDM PD EAS TJ Tstg 100 0.8 参数范围 SVD4N60T SVD4N60F(G) 600 ±30 4.0 2.5 16 33 0.26 276 -55～+150 -55～+150 77 0.62 SVD4N60D 单位 V V A A W W/°C mJ °C °C
热阻特性
参数名称 芯片对管壳热阻 芯片对环境的热阻 符号 RθJC RθJA 参数范围 SVD4N60T 1.25 62.5 SVD4N60F(G) 3.85 120 SVD4N60D 1.61 110 单位 °C/W °C/W
关键特性参数(除非特殊说明，TC=25°C)
参 数 漏源击穿电压 漏源漏电流 栅源漏电流 栅极开启电压 导通电阻 输入电容 输出电容 反向传输电容 开启延迟时间 开启上升时间 关断延迟时间 关断下降时间 栅极电荷量 栅极-源极电荷量 栅极-漏极电荷量 符号 BVDSS
B
测试条件 VGS=0V，ID=250μA VDS=600V，VGS=0V VGS=±30V，VDS=0V VGS= VDS，ID=250μA VGS=10V， ID=2A VDS=25V，VGS=0V， f=1.0MHZ VDD=300V，ID=4A， RG=25Ω (注 2，3) VDS=480V，ID=4A， VGS=10V (注 2，3)
最小值 600 --2.0 ------------
典型值 ----2.0 672 66 4.7 27 19 160 22 19.8 4 7.2
最大值 -10 ±100 4.0 2.4 -----------
单位 V μA nA V Ω
IDSS IGSS VGS(th) RDS(on) Ciss Coss Crss td(on) tr td(off) tf Qg Qgs Qgd
pF
ns
nC
https://www.360docs.net/doc/336420880.html,
版本号：1.4
2011.09.01 共9页 第2页
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的输入电阻可高达1015W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G。另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。它的栅极与其他电极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图 6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
双极型晶体管复习重点
7.突变结近似：认为从中性半导体区到空间电荷区的空间电荷密度有一个突然的不连续。 内建电势差：热平衡状态下pn结内p区与n区的静电电势差。 耗尽层电容（势垒电容、结电容）：反向偏置下pn结的电容。 耗尽区（空间电荷区）：冶金结两侧由于n区内施主电离和P区受主电离而形成的带净正电荷与负电的区域。 冶金结：pn结内p型掺杂与n型掺杂的分界面。 单边突变结：冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的pn结。 反偏：pn结的n区相对于p区加正电压，从而使p区与n区之间的势垒大小超过热平衡状态时势垒的大小。 空间电荷区宽度：空间电荷区延伸到P区与n区内的距离，它是掺杂浓度与外加电压的函数。 变容二极管：电容随着外加电压的改变而改变的二极管。 线性缓变结：冶金结两侧的掺杂浓度可以由线性分布近似的pn结。 8.雪崩击穿：电子或空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷区内原子的电子发生碰撞产生电子空穴对，在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程称为雪崩击穿。 Avalanche breakdown：the process whereby a large reverse-bias pn junction current is created due to the generation of electron-hole pairs by the collision of electron an holes with atomic electrons within the space charge region. 齐纳击穿：重掺杂PN结，随着结上反偏电压的增大，可能使P区价带顶高于n区导带底，p区价带的电子可通过隧穿效应直接穿过禁带到达n区导带，成为导电载流子，当结上反偏
场效应管工作原理
场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。 三、场效应管的参数 场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数： 1、I DSS — 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS =0时的漏源电流。 2、U P — 夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。 3、U T — 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、g M — 跨导。是表示栅源电压U GS — 对漏极电流I D 的控制能力，即漏极电流I D 变化量与栅源电压U GS 变化量的比值。g M 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 5、BU DS — 漏源击穿电压。是指栅源电压U GS 一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一 项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BU DS。
MOS管特性
MOS管开关 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。 下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。 1，MOS管种类和结构 MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。 在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 2，MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC 时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 3，MOS开关管损失
双极型晶体管介绍
双极型晶体管 晶体管的极限参数 双极型晶体管（Bipolar Transistor） 由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。 晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管. 晶体管分类：NPN型管和PNP型管 输入特性曲线：描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V，锗管的开启电压约为0.3V。 输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。可表示为： 双击型晶体管输出特性可分为三个区 ★截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。 ★饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，U CE@0，IC=EC／RC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。 ★放大区：发射结正偏，集电结反偏。 放大区的特点是： ◆IC受IB的控制，与UCE的大小几乎无关。因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。 ◆特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b越大。 ◆伏安特性最低的那条线为IB=0，表示基极开路，IC很小，此时的IC就是穿透电流ICEO。 ◆在放大区电流电压关系为：UCE=EC-ICRC, IC=βIB ◆在放大区管子可等效为一个可变直流电阻。 极间反向电流：是少数载流子漂移运动的结果。
场效应管与电场效应
场效应管与电场效应 场效应管与晶体管不同,它是一种电压控制器件(晶体管是电流控制器件),其特性更象电子管,它具有很高的输入阻抗,较大的功率增益,由于是电压控制器件所以噪声小。场效应管是一种单极型晶体管,它只有一个P-N结,在零偏压的状态下,它是导通的,如果在其栅极(G)和源极(S)之间加上一个反向偏压(称栅极偏压)在反向电场作用下 P-N变厚(称耗尽区)沟道变窄,其漏极电流将变小,反向偏压达到一定时,耗尽区将完全沟道"夹断",此时,场效应管进入截止状态,此时的反 向偏压我们称之为夹断电压,用Vpo表示,它与栅极电压Vgs和漏源电压Vds之间可近以表示为Vpo=Vps+|Vgs|,这里|Vgs|是Vgs的绝对值. 在制造场效应管时,如果在栅极材料加入之前,在沟道上先加上一层很薄的绝缘层的话,则将会大大地减小栅极电流,也大大地增加其输入阻抗,由于这一绝缘层的存在,场效应管可工作在正的偏置状态,我们称 这种场效应管为绝缘栅型场效应管,又称MOS场效应管,所以场效应管有两种类型,一种是绝缘栅型场效应管,它可工作在反向偏置,零偏 置和正向偏置状态,一种是结型栅型效应管,它只能工作在反向偏置状态. 绝缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型两种,我们称在正常情 况下导通的为耗尽型场效应管,在正常情况下断开的称增强型效应管.增强型场效应管特点:当Vgs=0时Id(漏极电流)=0,只有当Vgs增加到某一个值时才开始导通,有漏极电流产生.并称开始出现漏极电流时的栅源电压Vgs为开启电压.耗尽型场效应管的特点,它可以在正或负的
栅源电压(正或负偏压)下工作,而且栅极上基本无栅流(非常高的输入电阻). 结型栅场效应管应用的电路可以使用绝缘栅型场效应管,但绝缘栅增强型场效管应用的电路不能用结型栅场效应管代替。
双极型晶体管参数符号及其意义
双极型晶体管参数符号及其意义 Cc---集电极电容 Ccb---集电极与基极间电容 Cce---发射极接地输出电容 Ci---输入电容 Cib---共基极输入电容 Cie---共发射极输入电容 Cies---共发射极短路输入电容 Cieo---共发射极开路输入电容 Cn---中和电容（外电路参数） Co---输出电容 Cob---共基极输出电容。在基极电路中，集电极与基极间输出电容 Coe---共发射极输出电容 Coeo---共发射极开路输出电容 Cre---共发射极反馈电容 Cic---集电结势垒电容 CL---负载电容（外电路参数） Cp---并联电容（外电路参数） BVcbo---发射极开路，集电极与基极间击穿电压 BVceo---基极开路，CE结击穿电压 BVebo--- 集电极开路EB结击穿电压 BVces---基极与发射极短路CE结击穿电压 BV cer---基极与发射极串接一电阻，CE结击穿电压 D---占空比 fT---特征频率 fmax---最高振荡频率。当三极管功率增益等于1时的工作频率
hFE---共发射极静态电流放大系数 hIE---共发射极静态输入阻抗 hOE---共发射极静态输出电导 h RE---共发射极静态电压反馈系数 hie---共发射极小信号短路输入阻抗 hre---共发射极小信号开路电压反馈系数 hfe---共发射极小信号短路电压放大系数 hoe---共发射极小信号开路输出导纳 IB---基极直流电流或交流电流的平均值 Ic---集电极直流电流或交流电流的平均值 IE---发射极直流电流或交流电流的平均值 Icbo---基极接地，发射极对地开路，在规定的VCB反向电压条件下的集电极与基极之间的反向截止电流 Iceo---发射极接地，基极对地开路，在规定的反向电压VCE条件下，集电极与发射极之间的反向截止电流 Iebo---基极接地，集电极对地开路，在规定的反向电压VEB条件下，发射极与基极之间的反向截止电流 Icer---基极与发射极间串联电阻R，集电极与发射极间的电压VCE为规定值时，集电极与发射极之间的反向截止电流Ices---发射极接地，基极对地短路，在规定的反向电压VCE条件下，集电极与发射极之间的反向截止电流 Icex---发射极接地，基极与发射极间加指定偏压，在规定的反向偏压VCE下，集电极与发射极之间的反向截止电流ICM---集电极最大允许电流或交流电流的最大平均值。 IBM---在集电极允许耗散功率的范围内，能连续地通过基极的直流电流的最大值，或交流电流的最大平均值 ICMP---集电极最大允许脉冲电流 ISB---二次击穿电流 IAGC---正向自动控制电流 Pc---集电极耗散功率 PCM---集电极最大允许耗散功率 Pi---输入功率 Po---输出功率 Posc---振荡功率 Pn---噪声功率 Ptot---总耗散功率
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识.
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识 功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电 压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空 航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适 用于小功率电力电子装置。 一、电力场效应管的结构和工作原理 电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。 电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面， 横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。 电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如 图1(a)所示。电气符号，如图1(b)所示。 电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。 二、电力场效应管的静态特性和主要参数
功率场效应管高频建模方法
功率场效应管高频建模方法 摘要：开关器件在开通和关断暂态过程中产生的高电压和电流变化是电磁干扰(EMI)的主要来源。准确的EMI预测需要对功率器件开关瞬间的动态行为进行精确地描述。首先介绍了两种常见的功率场效应管的建模方法、子电路模型和集总电荷模型。然后提出利用Saber 建模工具Model Architect对功率场效应管进行建模。最后利用Saber 软件建立逆变器电路模型进行仿真对比，得到了功率场效应管的开关波形和电路的传导干扰波形。仿真的结果显示，用Saber中Model Architect建模工具所建的模型能够反映较为实际的情况，相对准确地预测电路中的电磁干扰。 关键词：功率场效应管；建模；极间电容；Model Architect 0 引言 随着电力电子不断向高频化、小型化方向发展，具有高频特性好、抗干扰能力强等特点的场效应管(MOSFET)已经成为电力电子领域中的实用器件。但高频化导致了器件所承受的电应力和开关损耗的增加，不可避免地会产生电磁干扰(EMI)[1]。为了预测和减小电磁干扰的影响，需要建立准确的电路传导EMI的高频模型来进行仿真，然而现有的电路仿真软件库中虽然有着丰富的场效应管的模型，但在高频工作状态下不够准确会导致仿真结果的误差，无法用于传导EMI仿真的现状。因此，研究和掌握功率场效应管的高频建模方法变得尤为重要。 1 常见的功率场效应管建模方法 由于结构和工艺的原因，功率MOSFET存在寄生的极间电容，包括栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs和漏源电容Cds，而功率MOSFET中决定其开关波形的是这3个非线性极间电容[2]。因此，建立精确的功率MOSFET高频模型，关键在于正确描述这3个极间电容特性来模拟其开关波形。目前常见的功率MOSFET建模方法主要有子电路模型和集总电荷模型。 1.1 子电路模型 子电路模型以小信号LDMOS为基础，在外围增加反映功率VDMOS动态特性的非线性极间电容和反偏二极管来模拟功率MOSFET[3]。图1所示是saber中两种典型的功率MOSFET子电路模型mpvl和mpv2。图1(a)模型中的一个关键因素是可变电容器Cgdp，连接在栅极和漏极之间，用来描述处于耗尽状态的栅漏电容；Cgd则描述处于积累状态的栅漏电容；栅源电容用常电容Cgs来描述；反偏的二极管D用来描述漏源电容。图1(b)中的模型比图1(a)中的有所改进，模板中的关键因素是可变电容Cgd和Cgs，分别为栅漏和栅源间的非线性电容。和mpv1比主要的变化是增加了Cgs这个描述其积累状态的变量。非线性电容Cgd对应的是图1(a)中的Cgdp，描述的是处于耗尽状态的栅漏电容。 1.2 集总电荷模型 集总电荷的功率MOSFET模型是将功率MOSFET各区的载流子用集总电荷来表示，并分阶段描述功率MOSFET各工作状态下的集总电荷方程，从而得到能够同时反映功率MOSFET静动态特性的模型。当考虑到功率场效应管整个开关过程，包含了各工作状态的MOSFET集总电荷模型[4]。产生栅极电容的电荷qaB、qdB和qiB 集中在集总电荷节点1处。同时，电荷qiB 决定了电流Id的电导系数，还有饱和和非饱和区域的静态特性。漏源间的体二极管使用的是包含反向恢复的Lauritzen-Ma模型来建模。开关S1表示当漏极发生反型时体区和漏极表面的连接。开关S2表示场效应管从截止区过渡到饱和区。 比较这两种建模方法，集总电荷方法能获得连续的非线性极间电容模型和较好的精度，