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  • MOSFET工作原理.pdf

    2019-09-03 22:35:07
    主要讲述mosfet工作原理,讲得比较多,多为网络相关信息的收集
  • MOSFET工作原理

    2011-08-27 11:02:33
    MOSFET的一些介绍,从基础理论到一些应用,以及驱动电路的设计
  • MOSFET工作原理[参照].pdf
  • 1、准备工作(复习一些知识) a、原子可以简单地定义为由原子核和核外电子组成的中性粒子。<注:原子不带电、单一的原子不存在自由电子> b、原子外围绕核电子不稳定,在构成分子、最终到物体的过程中脱离原来的...

    一、PN节

    1、准备工作(复习一些知识)
    a、原子可以简单地定义为由原子核和核外电子组成的中性粒子。<注:原子不带电、单一的原子不存在自由电子>
    b、原子外围绕核电子不稳定,在构成分子、最终到物体的过程中脱离原来的绕核轨迹,成为自由运动的电子。<注:绕核电子脱轨>
    c、半导体:半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。<注:导电性对温度、光、杂质敏感,构成半导体的原子种类不定>
    d、本征半导体:完全纯净的半导体称为本征半导体。<注:构成半导体的原子种类唯一、也叫元素唯一>
    e、N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷)形成N型半导体。<注:N型半导体属于杂质半导体、单体不带电>
    f、P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如铝)形成P型半导体。<注:P型半导体属于杂质半导体、单体不带电>
    g、空穴又称电洞,在固体物理学中指共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下空位的现象。<注:流失的电子最终成为自由电子>
    2、本征半导体、N型半导体、P型半导体
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    P型半导体空穴多,容易吸引电子但原子核电荷不够,会形成负电荷。
    N型半导体电子多,电子容易逃跑且原子核电荷太多,会形成正电荷。
    3、PN结
    N型半导体原本不带电,构成PN结后失去电子后呈正电性。P型半导体原本不带电,构成PN结后得到电子后呈负电性。
    两个带电体形成内电场,方向P<=N,由N型半导体指向P型半导体。
    在这里插入图片描述
    电子受到电场力作用会漂移向N级,但N级电子太多,还是会向P级扩散。两种运动形成了动态平衡,当然,不一定会像下面这个动画一样形成稳定的环形电流。
    在这里插入图片描述
    4、PN节正向偏置
    电源正极接P,负极接N,电荷会重新分布,正向电压削弱内电场从而使PN变窄,导电性增强。
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    形成比较大的电流。
    在这里插入图片描述
    5、PN节反向偏置
    电源正极接N,负极接P,反向电压增强内电场从而使PN变宽,直到与外电场平衡或被击穿。
    在这里插入图片描述
    电流变得特别的小,几乎是截至状态<注:电流仍然存在,存在的电流由本征载流子承担>。
    重点:
    本征半导体的本征激发现象会产生少数的载流子。<在此称为本征载流子>
    本征半导体加入的杂质会带给半导体大量的载流子。<在此称为杂质载流子>
    PN结中杂质载流子远远多于本征载流子,所以不论正向导通还是反向截至,是以杂质载流子来说的。本征载流子在反向截至的过程中,也会产生微弱电流,但由于数量级别太小可以被忽略,即便可以忽略,但是我们要知道这个玩意并不符合PN结反向截至的特性,如果人为的增加本征载流子的数目,即使PN结反偏,仍然可以导通。<在BJT集电结反偏导通中就体现了出来>
    在这里插入图片描述

    二、BJT(双极结型晶体管)

    1、BJT的做原理
    NPN型三极管的模型如下,c为集电极由N型半导体构成,b为基极P型半导体构成,e为发射极N型半导体构成。
    集电极面积比较大,基极厚度薄而且载流子浓度比较低。(属于电流控制器件,即基极电流控制集电极电流)
    在这里插入图片描述
    当发射结正偏时,电荷分布会发生变化,发射结宽度会变窄;相当于给电子打开了一扇e到b的大门。
    集电结反偏时,电荷分布会也发生变化,集电结宽度会变宽。但汇集到基极的载流子也就是电子相当于人为增加了本征载流子,所以集电节反偏导通(杂质载流子由于PN结的作用,不再主导承担电流,而是由本征载流子主导)。如下方动画所示:
    在这里插入图片描述
    b级会接一个大电阻RB限制电流Ib的大小,跑到b极的那些多余的电子就只好穿越集电结,形成电流Ic,如下方动画所示
    在这里插入图片描述
    如果基极电压翻倍,电荷分布会继续发生变化,发射结宽度会变得更窄,这扇大门变得更宽了,将会有更多的电子跑到b级。如下方动画所示:
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    由于RB是大电阻,Ib就算翻倍了也还是很小,所以更多的电子会穿越集电结,让Ic也翻倍。如下方动画所示:
    在这里插入图片描述
    两个直流电源是可以合并到一起的,再加上小信号ui和两个电容,就得到了放大电路,如下图所示:
    在这里插入图片描述
    如果电阻大小合适,这个放大电路能够将小信号ui放大成相位相反的大信号Uce,如下方动画所示:
    红色为输入端,ui的变化会影响Ube,把发射结看成一个小电阻,红色的Q点就会沿黑线运动,然后画出iB的图像;
    根据iC=βiB,画出ic的图像,纵坐标从μA变成了mA;
    而输出端有Uce = Ucc - ic * Rc,当Ucc、Rc不变时,Uce与Ic反相。
    在这里插入图片描述
    2、BJT常见芯片型号和开关电路应用
    三极管的工作状态有四个,分别是放大、截止、饱和、倒置,NPN型共发射机电路的输出特性曲线如下:
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    常见的三极管为9012、s8550、9013、s8050.单片机应用电路中三极管主要的作用就是开关作用。其中9012与8550为pnp型三极管,可以通用。其中9013与8050为npn型三极管,可以通用。NPN(左)与PNP(右)两种三极管各引脚的表示如下:
    记忆点:e极总是标在带箭头的一边,NPN、PNP的中间字母分别为N、P,其中P的谐音是屁,屁只能朝外放,不能向里放。
    在这里插入图片描述

    三、MOSFET(场效应晶体管)

    寄生二极管和源极箭头方向相同,工作电流和寄生二极管相反,开关电压方向顺从工作电流方向。
    (属于电压控制器件,即栅源电压控制漏源电流)
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  • MOSFET工作原理.doc

    2010-10-28 15:10:53
    介绍了MOSFET工作原理 MOSFET工作原理 MOSFET工作原理
  • 功率MOSFET的开通和关断原理pdf,开通过程[ t0 ~ t4 ]:在 t0 前,MOSFET 工作于截止状态,t0 时,MOSFET 被驱动开通;[t0-t1]区间,MOSFET 的GS 电压经Vgg 对Cgs 充电而上升,在t1 时刻,到达维持电压Vth,MOSFET ...
  • MOSFET是Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor的英文缩写,平面型器件结构,按照导电沟道的不同可以分为NMOS和PMOS器件。MOS器件基于表面感应的原理,是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子...
  • MOSFET结构及工作原理

    2020-12-14 12:07:45
    目录 (1)N沟道增强型 ① 结构 ② 电路符号 ③ 工作原理 ④ I-V特性曲线 (2) N沟道耗尽型 (3)P沟道增强型 (4)P沟道耗尽型 (1)N沟道增强型 ① 结构 ② 电路符号 ③ 工作原理 ④ I-V特性曲线 (2) N沟道耗尽...

    1. N沟道增强型

    (1) 结构

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    (2) 工作原理

    2. N沟道耗尽型

    (1) 结构

    (2) 工作原理

    3. P沟道增强型

    (1) 结构

    (2) 工作原理

    4. P沟道耗尽型

    (1) 结构

    (2) 工作原理

    展开全文
  • 2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类:按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为;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...
  • MOSFET、IGBT的结构与工作原理详解

    万次阅读 多人点赞 2019-04-02 14:55:11
    先学习一下MOSFET 图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化...

    来自百度百科

    先学习一下MOSFET

    图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图所示。

    图  1

    从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。


    原文链接:http://www.elecfans.com/d/708877.html

    一文看懂MOSFET基础知识

    什么是MOSFETMOSFET的原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor场效应晶体管),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。

    功率MOSFET的内部结构和电气符号如图所示,它可分为 NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型,PNP型通常称P沟道型。由图1可看出,对于N沟道型的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上,同样对于P 沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管,其输出电流是由输入的电压(或称场电压)控制,可以认为输入电流极小或没有输入电流,这使得该器件有很高的输入阻抗,同时这也是我们称之为场效应管的原因。

    个人理解:

    P代表positive表示里面有大量的正电荷,N代表negative表示里面有大量的负电荷 

    所以PN结,在P极接正电压,N极接负电压。此时正电荷受到两个力:正电压的排斥与负电压的吸引。负电荷同理,如此这般PN结就导通了。反之就不导通。

    图 1

    功率MOSFET的工作原理

    • 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,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时,栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使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。

    个人理解:

    NPN型的MOSFET是怎么导通的呢?

    首先,在栅极加正电压,这样就会排斥衬[chèn]底——P型硅中的正电荷,同时吸引负电荷,这样在漏极与源极之间形成一层负电荷区域,这时再火上浇油在漏极加上正电压,源极加上负电压。 在双层诱惑下哪个受得了。所以源极的负电荷就会在栅极的掩护下,源源不断的往漏极去了。

    电子是先从源极出发的,所以叫源极;而到漏极的电子,漏极没有留住,都漏掉了,所以叫漏极。

    至于怎么分辨MOSFET的电路符号是N沟道还是P沟道。沟道的正负,就是衬底中通道的正负。电路符号中的箭头表示的是电子的流向。可以看到N沟道的电路符号中的箭头是指向栅极的,衬底下堆积的就是一层负电子,而这层负电子从漏极和源极的角度看,就是一条电子从源极通往漏极的沟,所以这个沟就叫做negative沟道,简称N沟道。     

    在所有半导体元件中, 箭头的意义表示p-n结的方向.                                                                                                               MOS管符号箭头指向问题? - 呆涛的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/27955221/answer/38939126

    衬底中的负电荷虽然很想投入栅极的怀抱,但是栅极之下是一层由二氧化硅(SiO2)形成的绝缘层,所以电子只能聚集在绝缘层的另一边,可望而不可即。也就不难理解为什么MOSFET是压控型的,以及为什么说MOSFET有很高的输入阻抗。

    至于高输入阻抗有什么用?可以想象一个由电池V与电阻R1、电阻R2串联的电路,此时在电阻R2两边再并联一个电阻R3,那么电阻2两端的电压会因为R3的并联而下降,但是如果R3很大很大甚至趋向于无穷呢!此时R2的电压就不会受并联的影响,也更容易分析就是原来的V/(R1+R2)

    功率MOSFET的基本特性静态特性:

    其转移特性和输出特性如图2所示。

    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。

    MOSFET的漏极伏安特性(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(对应于GTR的饱和区)。电力 MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通。电力 MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。动态特性:

    其测试电路和开关过程波形如图3所示。

    td(on)导通延时时间——导通延时时间是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间。

    tr上升时间——上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。  iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关,UGS达到UGSP后,在up作用下继续升高直至达到稳态,但iD已不变。

    开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和。

    td(off)关断延时时间——关断延时时间是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。tf下降时间——下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和。

    理解MOSFET的几个常用参数VDS,即漏源电压,这是MOSFET的一个极限参数,表示MOSFET漏极与源极之间能够承受的最大电压值。需要注意的是,这个参数是跟结温相关的,通常结温越高,该值最大。 RDS(on),漏源导通电阻,它表示MOSFET在某一条件下导通时,漏源极之间的导通电阻。这个参数与MOSFET结温,驱动电压Vgs相关。在一定范围内,结温越高,Rds越大;驱动电压越高,Rds越小。 Qg,栅极电荷,是在驱动信号作用下,栅极电压从0V上升至终止电压(如15V)所需的充电电荷。

    也就是MOSFET从截止状态到完全导通状态,驱动电路所需提供的电荷,是一个用于评估MOSFET的驱动电路驱动能力的主要参数。 Id,漏极电流,漏极电流通常有几种不同的描述方式。根据工作电流的形式有,连续漏级电流及一定脉宽的脉冲漏极电流(Pulsed drain current)。这个参数同样是MOSFET的一个极限参数,但此最大电流值并不代表在运行过程中漏极电流能够达到这个值。它表示当壳温在某一值时,如果MOSFET工作电流为上述最大漏极电流,则结温会达到最大值。所以这个参数还跟器件封装,环境温度有关。

     Eoss,输出容能量,表示输出电容Coss在MOSFET存储的能量大小。由于MOSFET的输出电容Coss有非常明显的非线性特性,随Vds电压的变化而变化。所以如果datasheet提供了这个参数,对于评估MOSFET的开关损耗很有帮助。并非所有的MOSFET手册中都会提供这个参数,事实上大部分datasheet并不提供。 Body Diode di/dt 体二极管的电流变化率,它反应了MOSFET体二极管的反向恢复特性。因为二极管是双极型器件,它受到电荷存储的影响,当二极管反向偏置时,PN结储存的电荷必须清除,上述参数正是反应这一特性的。

     Vgs,栅源极最大驱动电压,这也是MOSFET的一个极限参数,表示MOSFET所能承受的最大驱动电压,一旦驱动电压超过这个极限值,即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产生永久性伤害。一般来说,只要驱动电压不超过极限,就不会有问题。但是,某些特殊场合,因为寄生参数的存在,会对Vgs电压产生不可预料的影响,需要格外注意。 SOA,安全工作区,每种MOSFET都会给出其安全工作区域,不同双极型晶体管,功率MOSFET不会表现出二次击穿,因此安全运行区域只简单从导致结温达到最大允许值时的耗散功率定义。功率MOSFET的选型原则了解了MOSFET的参数意义,如何根据厂商的产品手册表选择满足自己需要的产品呢?可以通过以下四步来选择正确的MOSFET。

    1) 沟道的选择  

    为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道 MOSFET.在典型的功率应用中,当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟 道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道 MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。  

    2) 电压和电流的选择  

    额定电压越大,器件的成本就越高。根据实践经验,额定电压应当大于干线电压或 总线电压。这样才能提供足够的保护,使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS.设计工程 师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同;通常,便携式设备为20V、FPGA电源 为20~30V、85~220VAC应用为450~600V.  

    在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电 涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。 

    3) 计算导通损耗  

    MOSFET器件的 功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易 (较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供 的技术资料表中查到。  

    4) 计算系统的散热要求  

    设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这 个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最 大的结温。  

    开关损耗其实也是一个很重要的指标。导通瞬间的电压电流乘积相当大,一定程度上决定了器件的开关性能。不过,如果系统对开关性能要求比较高,可以选择栅极电荷QG比较小的功率MOSFET。

     


    原文链接:http://m.elecfans.com/article/701446.html

    IGBT

    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

    GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。在IGBT得到大力发展之前,功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合,晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点;但是,在200V或更高电压的场合,MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加,使得其功耗大幅增加,存在着不能得到高耐压、大容量元件等缺陷。

    双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性,虽然可以得到高耐压、大容量的元件,但是它要求的驱动电流大,控制电路非常复杂,而且交换速度不够快。IGBT正是作为顺应这种要求而开发的,它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器件,既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点(控制和响应),又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点(功率级较为耐用),频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十KHz频率范围内。

    基于这些优异的特性,IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中,模块化的IGBT可以满足更高的电流传导要求,其应用领域不断提高,今后将有更大的发展。IGBT的结构与特性:如图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+区称为源区,附于其上的电极称为源极(即发射极E)。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-区,沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。

    图1 N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流,使IGBT导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N-沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N-层的空穴(少子),对N-层进行电导调制,减小N-层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。IGBT是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件,是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的,性能上也是结合了MOSFET和双极型功率晶体管的优点。

    N+区称为源区,附于其上的电极称为源极(即发射极E);P+区称为漏区,器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-区)(沟道在该区域形成)称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态压降。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。  

    图2 IGBT的结构IGBT是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成,它实际是以GTR为主导元件,以MOSFET为驱动元件的复合管。IGBT除了内含PNP晶体管结构,还有NPN晶体管结构,该NPN晶体管通过将其基极与发射极短接至MOSFET的源极金属端使之关断。IGBT的4层PNPN结构,内含的PNP与NPN晶体管形成了一个可控硅的结构,有可能会造成IGBT的擎柱效应。IGBT与MOSFET不同,内部没有寄生的反向二极管,因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。IGBT的理想等效电路及实际等效电路如下图所示:

    图3 IGBT的理想等效电路及实际等效电路由等效电路可将IGBT作为对PNP双极晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。因此,在门极-发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时,PNP晶体管的基极-集电极就连接上了低电阻,从而使PNP晶体管处于导通状态,由于通过在漏极上追加p+层,在导通状态下,从p+层向n基极注入空穴,从而引发传导性能的转变。因此,它与功率MOSFET相比,可以得到极低的通态电阻。此后,使门极-发射极之间的电压为0V时,首先功率MOSFET处于断路状态,PNP晶体管的基极电流被切断,从而处于断路状态。如上所述,IGBT和功率MOSFET一样,通过电压信号可以控制开通和关断动作。IGBT的工作特性:1.静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

    IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大。它与GTR 的输出特性相似,也可分为饱和区1 、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此,限制了IGBT 的某些应用范围。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。

    它与MOSFET的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时,由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时,通态电压Uds(on) 可用下式表示:Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh式中Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。通态电流Ids 可用下式表示:Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

    由于N+ 区存在电导调制效应,所以IGBT 的通态压降小,耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ~ 3V 。IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。1动态特性IGBT在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET 来运行的,只是在漏源电压Uds 下降过程后期, PNP晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间,tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td (on) tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。

    因为IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。

    IGBT的工作原理:IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。N沟型的IGBT工作是通过栅极-发射极间加阀值电压VTH以上的(正)电压,在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的n-层注入电子。

    该电子为p+n-p晶体管的少数载流子,从集电极衬底p+层开始流入空穴,进行电导率调制(双极工作),所以可以降低集电极-发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1(b)所示,IGBT的符号如图1(c)所示。在发射极电极侧形成n+pn-寄生晶体管。若n+pn-寄生晶体管工作,又变成p+n- pn+晶闸管。电流继续流动,直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说,p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。 IGBT的闭锁电流IL为额定电流(直流)的3倍以上。

    IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,通断由栅射极电压uGE决定。导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分),其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流);空穴电流(双极)。uGE大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。

    导通压降电导调制效应使电阻RN减小,使通态压降小。关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的,尾流特性与VCE、IC和 TC有关。

    栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。反向阻断当集电极被施加一个反向电压时,J1 就会受到反向偏压控制,耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面,如果过大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。正向阻断当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时,P/NJ3结受反向电压控制。此时,仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。闩锁IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下,这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加,对等效MOSFET的控制能力降低,通常还会引起器件击穿问题。

    晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁,具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器件的状态有密切关系。通常情况下,静态和动态闩锁有如下主要区别:式中Imos ——流过MOSFET 的电流。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象,有必要采取以下措施:一是防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别;二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。

    此外,闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响,因此,它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的情况下,P基区的电阻率会升高,破坏了整体特性。因此,器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例,通常比例为1:5。

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    MOS管工作动画原理图详解 绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多,可达1010Ω以上,还因为...

    MOS管工作动画原理图详解

    绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多,可达1010Ω以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时温度简单,而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。
    MOS管工作原理动画
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    与结型场效应管相同,MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类,但每一类又分为增强型和耗尽型两种,因此MOS管的四种类型为:
    N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、
    P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。
    凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管,凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。
    MOS管工作原理动画
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    根据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。
    MOS管工作原理动画
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    N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

    当VGS=0 V时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。

    当栅极加有电压时,若0<VGS<VGS(th)时,通过栅极和衬底间形成的电容电场作用,将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层;同时将吸引其中的少子向表层运动,但数量有限,不足以形成导电沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流ID。

    进一步增加VGS,当VGS>VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0,只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流,所以,这种MOS管称为增强型MOS管。

    VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const这一曲线描述,称为转移特性曲线,MOS管工作原理动画见图1.。

    转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm的量纲为mA/V,所以gm也称为跨导。跨导。
    MOS管工作原理动画
    图1. 转移特性曲线
    在这里插入图片描述

    MOS管工作原理动画2—54(a)为N沟道增强型MOS管工作原理动画图,其电路符号如图2—54(b)所示。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底,利用扩散工艺在衬底上扩散两个高掺杂浓度的N型区(用N+表示),并在此N型区上引出两个欧姆接触电极,分别称为源极(用S表示)和漏极(用D表示)。在源区、漏区之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,在此绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极(用G表示)。从衬底引出一个欧姆接触电极称为衬底电极(用B表示)。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的,所以称它为绝缘栅型场效应管。MOS管工作原理动画图2—54(a)中的L为沟道长度,W为沟道宽度。
    MOS管工作原理动画
    图2—54所示的MOSFET,当栅极G和源极S之间不加任何电压,即UGS=0
    在这里插入图片描述

    时,由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底,相当于两个背靠背连接的PN结,它们之间的电阻高达1012W的数量级,也就是说D、S之间不具备导电的沟道,所以无论漏、源极之间加何种极性的电压,都不会产生漏极电流ID。

    当将衬底B与源极S短接,在栅极G和源极S之间加正电压,即UGS﹥0时,MOS管工作原理动画图2—55(a)所示,则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下,P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动,电子受电场的吸引向衬底表面运动,与衬底表面的空穴复合,形成了一层耗尽层。如果进一步提高UGS电压,使UGS达到某一电压UT时,P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽,而自由电子大量地被吸引到表面层,由量变到质变,使表面层变成了自由电子为多子的N型层,称为“反型层”,MOS管工作原理动画图2—55(b)所示。反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通,构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的UGS值称为阈值电压或开启电压,用UT表示。显然,只有UGS﹥UT时才有沟道,而且UGS越大,沟道越厚,沟道的导通电阻越小,导电能力越强。这就是为什么把它称为增强型的缘故。

    在UGS﹥UT的条件下,如果在漏极D和源极S之间加上正电压UDS,导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区,因为沟道有一定的电阻,所以沿着沟道产生电压降,使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小,靠近漏区一端的电压UGD最小,其值为UGD=UGS-UDS,相应的沟道最薄;靠近源区一端的电压最大,等于UGS,相应的沟道最厚。这样就使得沟道厚度不再是均匀的,整个沟道呈倾斜状。随着UDS的增大,靠近漏区一端的沟道越来越薄。

    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    MOS管工作原理动画
    MOS管工作原理动画
    当UDS增大到某一临界值,使UGD≤UT时,漏端的沟道消失,只剩下耗尽层,把这种情况称为沟道“预夹断”,MOS管工作原理动画图2—56(a)所示。继续增大UDS(即UDS>UGS-UT),夹断点向源极方向移动,MOS管工作原理动画图2—56(b)所示。尽管夹断点在移动,但沟道区(源极S到夹断点)的电压降保持不变,仍等于UGS-UT。因此,UDS多余部分电压[UDS-(UGS-UT)]全部降到夹断区上,在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区,当电子到达夹断区边缘时,受夹断区强电场的作用,会很快的漂移到漏极。

    耗尽型。耗尽型是指,当VGS=0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。

    耗尽型MOS场效应管,是在制造过程中,预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子,因此,在UGS=0时,这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子,形成N型导电沟道。

    当UDS>0时,将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0,则它将削弱正离子所形成的电场,使N沟道变窄,从而使ID减小。当UGS更负,达到某一数值时沟道消失,ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压,仍用UP表示。UGS

    N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似,只有一点不同,就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时,沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面,在D、S之间制造的,称之为初始沟道。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如MOS管工作原理动画1.(a)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS>0时,将使ID进一步增加。VGS<0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图1.(b)所示。
    MOS管工作原理动画
    图1. N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线
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    由于耗尽型MOSFET在uGS=0时,漏源之间的沟道已经存在,所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向栅压uGS,栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子,沟道变厚,沟道的电导增大。

    如果在栅极加负电压(即uGS<0=,就会在相对应的衬底表面感应出正电荷,这些正电荷抵消N沟道中的电子,从而在衬底表面产生一个耗尽层,使沟道变窄,沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压Up时,耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断(耗尽),这时即使uDS仍存在,也不会产生漏极电流,即iD=0。UP称为夹断电压或阈值电压,其值通常在–1V–10V之间N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线和转移特性曲线分别如图2—60(a)、(b)所示。

    在可变电阻区内,iD与uDS、uGS的关系仍为
    MOS管工作原理动画
    在恒流区,iD与uGS的关系仍满足式(2—81),即
    MOS管工作原理动画
    若考虑uDS的影响,iD可近似为
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    MOS管工作原理动画
    对耗尽型场效应管来说,式(2—84)也可表示为
    MOS管工作原理动画
    式中,IDSS称为uGS=0时的饱和漏电流,其值为
    MOS管工作原理动画
    P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
    MOS管工作原理动画
    3 主要参数
    (1) 直流参数
    指耗尽型MOS夹断电压UGS=UGS(off) 、增强型MOS管开启电压UGS(th)、耗尽型场效应三极管的饱和漏极电流IDSS(UGS=0时所对应的漏极电流)、输入电阻RGS.
    (2) 低频跨导gm
    gm可以在转移特性曲线上求取,单位是mS(毫西门子)。
    (3) 最大漏极电流IDM

    本文转载自《“KIA半导体”》

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