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3.5 功率场效应晶体管(Power MOSFET) 3.5.1 功率MOSFET的主要特点 3.5.2 功率MOSFET的基本原理及分类 3.5.3 功率MOSFET的基本结构 3.5.4 功率MOSFET的特性 3.5.5 功率MOSFET的主要电学参数 3.5.6 新型结构的功率MOSFET——“超结” 3.5.7 功率MOSFET的栅极驱动 分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称功率MOSFET（Power MOSFET） 结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT） 功率MOSFET 上世纪70年代，在集成电路工艺基础上发展起来的半导体电力电子器件 IGBT技术的先导 特点——用栅极电压来控制漏极电流 功率MOSFET 电压控制，输入阻抗1010Ω程度，输入电流小，功率增益高，驱动功率小，驱动电路简单 多子器件，开关速度快，开关时间由寄生电容决定，没有载流子存储效应，开关频率约为BJT的10倍 电流特性具有负温度系数，易于并联运行 没有电流集中，无二次击穿，有宽的SOA （缺点）无电导调制，通态压降高 功率MOSFET和传统MOSFET的工作原理基本相同，任何一种MOS场效应器件都是利用半导体表面电场效应来工作的，MOS（金属－氧化物－半导体）结构是这种器件的核心 作为功率器件，在结构设计、制造技术及特性方面与典型MOSFET完全不同。 功率MOSFET在保留和发挥MOS器件本身特点的基础上，着重于发展和提高功率特性，增大MOS器件的工作电流和电压，突破原有器件的极限。 VMOSFET在传统MOS器件基础上进行的改革： （1）垂直安装漏极实现垂直传导电流，充分利用硅片面积，为获得大电流容量提供了前提条件； （2）设置了高电阻率的N－型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定； （3）采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可以实现精确的短沟道制作。 1975年，美国siliconix公司将V形槽腐蚀技术移植到MOSFET上，成功的制造出纵向V型槽功率MOSFET，从而开创性将功率MOSFET推向强电领域 靠腐蚀形成V形槽，很难精确控制 V形槽易于受离子沾污造成阈值电压不稳定 V形槽底部为尖峰，电场较集中，难以提高击穿电压 利用两次扩散形成的P型区和N+型区，在硅片表面处的结深之差形成沟道 电子在沟道内沿表面流动，然后垂直的被漏极接收 采用多晶硅栅双层布线，多单元并联结构，改善了芯片的电流分布，降低了导通电阻 单元密度达1.86×104个／cm2，新一代MOS达1.12亿／吋2，约22×104个／cm2 LDMOS的源、漏、栅三个电极均分布在上表面，可以方便的与其它器件集成，所以在高压集成电路HVIC和功率集成电路PIC中已广泛应用 Ⅰ 非饱和区， 0 VDS VDSat，又可分为两段来考虑。 VDS很小时，从源到漏的压降差很小，可以忽略不计，沟道可等效为电阻，ID随VDS线性增大，称为线性区； 随着VDS增加，从源到漏的压降差变大，不可忽略，沟道厚度逐渐减薄，相当于沟道电阻增大，IDS随VDS增大的速率变慢，称为可调电阻区。 Ⅱ 饱和区，VDS = VDSat，沟道在漏端被夹断，IDS基本不随VDS而变化，达到饱和。 Ⅲ 截止区，0 VGS VT，当栅源电压低于阈值电压，半导体表面将处于弱反型状态，ID很小，主要是PN结的反向泄漏电流。 VDS恒定时，漏极电流ID和栅源电压VGS的关系曲线称为MOSFET的转移特性 表征功率MOSFET的VGS对ID的控制能力 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。 功率MOSFET的通态功耗较高，要降低通态功耗就必须减小导通电阻Ron 击穿电压主要体现在p+区与漂移层（即n-外延层）形成的pn结上，因此要获得高击穿电压必须使漂移层有较大的厚度和较低的掺杂浓度 击穿电压与导通电阻是一对矛盾！ 导通电阻受击穿电压限制而存在一