根据科技发展知识也在更新_功率_MOSFET知识进行图文分析解说_AOS代理商泰德兰电子有限公司
2018-04-12 14:14:38
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1.基本器件结构

功率MOSFET( 金属氧化物半导体场效应品体管)是非常通用

的功率器件,因为它具有低的栅极驱动功率,快的开关速度

和优异的并联工作能力。许多功率MOSFET具有纵向的垂直

结构,源极和漏极在晶元的相对的平面,从而可以流过大的

电流和具有高的电压。图1a和1b示出沟漕和平面两种基本的

器件结构。沟漕结构主要用于额定电压低于200V 的器件,因

为它具有高的沟道密度,因此导通电阻低。平面结构适合于

更高的容预定电压器件,因为导通电阻主要由epi-层的电阻来

决定,因此无法得到高的单元密度。两种结构基本的操作相。

除了特别的定义,本应用笔记只讨论沟漕结构。

 MOSFET沟槽与平面结构_AOS代理商

平面MOSFET结构

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2.击穿电压

在许多功率MOSFET中,N源极和P一体形成的结是通过金

属物短路的,从而避免意外的导通寄生的三极管。当没有

偏置加在棚极时,功率MOSET通过反向偏置P-体和N Epi

形成的结,可以承受高的漏极电压。在高压器件中,绝大

部分电压由少掺杂的Epi层来承受: 厚的少掺杂的Epi层承

受更高的击穿耐压,但是增加了导通电阻。在低压器件

中,P-体掺杂程度和N- Epi层差不多,也可以承受电压。

如果P-体的厚度不够,多掺杂太多,耗尽区可以通孔达到

N+源极区,从而降低了击穿电压值。如果P-体的厚度太

大,多掺杂不够,沟道的电阻和阈值电压将增大。因此需

要仔细的设计体和Epi掺杂和厚度以优化其性能。

数据表中,BV,DSS通常定义为漏电流为250UA时漏极到源极

的电压。漏极到源极的漏电流表示为Inee,DSS ,  它在100%的

额定时测量。温度增加,Idss 增加,BVdss  也增加。

3.导通状态特性

要考虑功率MOSFET在两种不同的模式下工作:第一象限

和第三象限工作。

 第一象限工作

当正向电压加在漏极上时,N沟道的功率MOSFET操作在第

一象限工作,如图2所示。当栅极电压V。增加到阈值申F

V时,MOSFET沟道开始流过电流。它流过电流的值取孙

于MOSFET的导通电阻,定义为:Rosov=Vb1Ip

对于足够的栅极电荷过驱动V。>> VH I,-V,曲线操作在线

性区,因为MOSFET的沟道完全导通。在低的栅极过驱动

电压下,当V,> (V.-V),由于沟道的修剪效应,漏极电

流达到饱和点。

道通区特性_TOREX代理商

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图2:导让区特性(第一象限)图3a: 沟漕ROSO组成

对于沟漕MOSFET,Rdson,由于下面几个部分组成:

一RS: 源极电阻

一RCh: 沟道电阻

一Racc聚集区电阻

Repi硅片顶层的电阻,(外延硅,有名的epi);epi控制着

MOSFET可以承受的阻断电压的值

Rsubs 硅衬底电阻,epi从它上面生长。  

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  图3b: 平面MOSFETRoson组成

对于平面MOSFET,Rdson组成部分和沟漕MOSFET相似。

主不同在于出现JFET部分。当器件缩小到更小的尺寸,

Ror R.c 也减小,因为更多的单个的单元晶胞将堆积在的硅片区。

另一方面,当电流被限制在靠近P-体区的狭窄的n-区流过时,

Rjfet将遭受JFET效应。由于没有JFET

效应,沟漕MOSFET可以得到更高密度的缩减,实现低的Rpaens

勾道电阻Rch 主要依赖于栅极过驱动程度。Vgs增加,Rch减小

开始时,当Vgs增到Vth以上时,Rdsov很快降减小,

表明MOSF ET沟道导通。当Vgs进一步增加,RDSON下降比较来缓,

因为沟道完全导通,MOSFET导通电阻由其它的电阻

成部分决定。Rdson随温度增加而增加,因为温度增加,

截流子运动能力降低,这是器件并联工作的重要特性。

栅极偏置和温度_MOSFETs

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图4: RSO对栅极偏置和温度


阈值电压

阔值电压VGS(TH) 定义为最小的棚极偏置电压,此时,

在源极和漏极间形成导通的沟道。对于功率MOSI ET,

通道在250U A的漏源极电流时测量。

栅极氧化层岸度和沟道掺杂集中度用来控制阈值电压。

10-15V的驱动电压,其典型值设计为2 4V。使用CMOS技术缩减,

功率MOSFET的栅极驱动电压可以降到的2.5-4.5V。

因此,这些应用需要更低的阈值电压1-2V。

阈值电压具有负的温度系数,温度增加,阈值电压降低。跨导

跨导gfs,定义为MOSFET的增益,可以用下面公式表示:

 


通常在固定的Vds,在饱和区测量。器件栅极宽度W,

沟道长Lch,活动性u,栅极电容Cox,影响跨导值。

温度增加,跨导降低,因为载流子的活性降低。

第三象限工作

在DCDC的BUCK变换器中,功率MOSFET在第三象限工作很常

见,电流流过下面N 沟道的MOSFET,和第一象限比较,电流

方向是反向的,施加的Rdson相同。

在相对低的电流时,第三象限工作的导通特性和第一象限是对

称的。因此可以假定两种操作典型有相同的RPSOVO 在大的电

流和大的V.时,它们工作方式不同。当V接近体二极管的正

向压降时,体二极管开始导通。因此,电流增加,不能看到电

流饱和特性。

第三象限工作_MOSFETs

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图5: 第三象限工作


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