电力场效应管
电力场效应管
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 oxidesemiconductor 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 。
电力mosfet的种类
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。
电力mosfet的结构
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 。
电力mosfet的基本特性
(1)静态特性
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。
电力mosfet的主要参数
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
另一种介绍说明：
场效应管（fjeld effect transistor简称fet ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类，结型场效应管jfet和绝缘栅型场效应管igfet，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。图z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类
图 z0122为n沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块n型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的p型区（用p 表示），形成两个对称的pn结，将两个p区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在n型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。在形成pn结过程中，由于p 区是重掺杂区，所以n一区侧的空间电荷层宽度远大
二、工作原理
n沟道和p沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以n沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧pn结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使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。
1．栅源电压ugs对导电沟道的影响（设uds＝0）
在图z0123所示电路中，ugs ＜0，两个pn结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，id=0。若|ugs| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|ugs| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明ugs控制着漏源之间的导电沟道。当ugs负值增加到某一数值vp时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（vp称为夹断电压）此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，id＝0。
2．漏源电压ugs对漏极电流id的影响（设ugs＝0）
当ugs＝0时，显然id＝0；当uds＞0且尚小对，p n结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压uds沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端pn结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在uds较小时，沟道呈现一定电阻，id随uds成线性规律变化（如图z0124曲线oa段）；若ugs再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。
由于沟道电阻的增大，id增长变慢了（如图曲线ab段），当uds增大到等于|vp|时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流idss （这种情况如曲线b点）：当uds＞|vp|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。
由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比|vp|大的那部分电压基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性（如曲线bc段）。但是，如果再增加uds达到buds时（buds称为击穿电压）进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使id急剧增加而出现击穿现象（如曲线cd段）。
由此可见，结型场效应管的漏极电流id受ugs和uds的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。
三、特性曲线
1．输出特性曲线
输出特性曲线是栅源电压ugs取不同定值时，漏极电流id 随漏源电压uds 变化的一簇关系曲线，如图z0124所示。由图可知，各条曲线有共同的变化规律。ugs越负，曲线越向下移动）这是因为对于相同的uds，ugs越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，id越小。
由图还可看出，输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。
◆可变电阻区：预夹断以前的区域。其特点是，当0＜uds＜|vp|时，id几乎与uds呈线性关系增长，ugs愈负，曲线上升斜率愈小。在此区域内，场效应管等效为一个受ugs控制的可变电阻。
◆恒流区：图中两条虚线之间的部分。其特点是，当uds＞|vp|时，id几乎不随uds变化，保持某一恒定值。id的大小只受ugs的控制，两者变量之间近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。
◆击穿区：右侧虚线以右之区域。此区域内uds＞buds，管子被击穿，id随uds的增加而急剧增加。
2．转移特性曲线
当uds一定时，id与ugs之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明，当uds＞|vp|后，即恒流区内，id 受uds影响甚小，所以转移特性通常只画一条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示：id=idss(1-ugs/vp)(1-ugs/vp)
式gs0127中vp≤ugs≤0，idss是ugs＝0时的漏极饱和电流。
图为输出特性曲线
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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 oxidesemiconductor 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 。
电力mosfet的种类
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。
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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 。
电力mosfet的基本特性
(1)静态特性
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。
电力mosfet的主要参数
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
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一、结构与分类
图 z0122为n沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块n型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的p型区（用p 表示），形成两个对称的pn结，将两个p区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在n型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。在形成pn结过程中，由于p 区是重掺杂区，所以n一区侧的空间电荷层宽度远大
二、工作原理
n沟道和p沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以n沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧pn结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使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。
1．栅源电压ugs对导电沟道的影响（设uds＝0）
在图z0123所示电路中，ugs ＜0，两个pn结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，id=0。若|ugs| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|ugs| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明ugs控制着漏源之间的导电沟道。当ugs负值增加到某一数值vp时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（vp称为夹断电压）此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，id＝0。
2．漏源电压ugs对漏极电流id的影响（设ugs＝0）
当ugs＝0时，显然id＝0；当uds＞0且尚小对，p n结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压uds沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端pn结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在uds较小时，沟道呈现一定电阻，id随uds成线性规律变化（如图z0124曲线oa段）；若ugs再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。
由于沟道电阻的增大，id增长变慢了（如图曲线ab段），当uds增大到等于|vp|时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流idss （这种情况如曲线b点）：当uds＞|vp|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。
由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比|vp|大的那部分电压基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性（如曲线bc段）。但是，如果再增加uds达到buds时（buds称为击穿电压）进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使id急剧增加而出现击穿现象（如曲线cd段）。
由此可见，结型场效应管的漏极电流id受ugs和uds的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。
三、特性曲线
1．输出特性曲线
输出特性曲线是栅源电压ugs取不同定值时，漏极电流id 随漏源电压uds 变化的一簇关系曲线，如图z0124所示。由图可知，各条曲线有共同的变化规律。ugs越负，曲线越向下移动）这是因为对于相同的uds，ugs越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，id越小。
由图还可看出，输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。
◆可变电阻区：预夹断以前的区域。其特点是，当0＜uds＜|vp|时，id几乎与uds呈线性关系增长，ugs愈负，曲线上升斜率愈小。在此区域内，场效应管等效为一个受ugs控制的可变电阻。
◆恒流区：图中两条虚线之间的部分。其特点是，当uds＞|vp|时，id几乎不随uds变化，保持某一恒定值。id的大小只受ugs的控制，两者变量之间近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。
◆击穿区：右侧虚线以右之区域。此区域内uds＞buds，管子被击穿，id随uds的增加而急剧增加。
2．转移特性曲线
当uds一定时，id与ugs之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明，当uds＞|vp|后，即恒流区内，id 受uds影响甚小，所以转移特性通常只画一条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示：id=idss(1-ugs/vp)(1-ugs/vp)
式gs0127中vp≤ugs≤0，idss是ugs＝0时的漏极饱和电流。
图为输出特性曲线
开辟手机边框交互新天地，纽迪瑞科技边缘触控压力传感器荣获年度最佳传感器
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有没有觉得你的iPhone 耗电越来越快了，大神教你这招搞定！
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