刘。编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子。
器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。本刊从今年４ｙｌ份。
开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。
欢迎厂家及用户的工程师们撰稿。并望提出宝贵意见。
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功率场效应管的结构与特，陛。
乔恩明薛玉均刘敏（供稿）本刊编辑部张乃国（改编）
功率场效应晶体管分为结型和绝缘栅型两种大小。绝缘栅场效应管则是利用栅极、源极之间。
类型．但通常主要指绝缘栅型中的ｍｏｓ型简称功率而把结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管。功率ｍｏｓ是用栅极电压来控制漏极电流，属压控型器件。其特点是驱动电路简。
电压形成电场来改变半导体表面感生电荷的多少、改变导电沟道的导电能力和等效电阻，从而控制。
漏极和源极之间的导电电流。
图ｌ示出了一种最常用的绝缘栅型电力金属氧。
化物半导体场效应晶体管ｍｏｓ的基本结构、符号和外接电路。图１（ａ示出了ｍｏｓ器件有三个电极：栅极（控制极）ｇ、漏极ｄ和源极ｓ。
它是以一块杂质浓度低的ｐ型硅材料作衬底，其上有两处高掺杂的ｎ型区ｆ自由电子多１分别引出作为源极ｓ和漏极ｄ，相互隔离的两个ｎ区的表面覆盖着金属氧化物ｓｉｏ绝缘层，栅极ｇ与两个ｎ区被绝缘体ｓｉｏ绝缘隔开，故ｇ被称为绝缘栅极。ｎ 为漏极ｄ，ｎ为源极ｓ，ｎ之间地区是ｐ型半导体，当图１（ｂ中漏一源极间电压为零、栅一源极之间电压也为零时，ｎ型半导体与ｐ型半导体之间要形成空间电荷区ｆ耗尽层）阻挡层，此时ｇ—ｓ之间和ｄ—ｓ之间都是绝缘的。当漏极与源极之间有外加电压。
单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于功率晶体管ｆｇｔ但其电流容量小，耐压低，因而在中、小功率电力电子电路中得到了广泛的应用。
功率ｍｏｓ的结构和工作原理。
功率ｍｏｓ的内部结构、电气图形符号及外。
接电路如图１所示。场效应管有三个电极：栅极（控制极）ｇ（漏极ｄ（ｄ和源极ｓ
ｓｏｕ由栅极控制漏、源极之间的等效电阻，使场效应管处于截止或导通状态。场效应晶体管有两大类：结型场效应管和绝缘栅型场效应晶体管，结型场效应管是利用ｐｎ结反向电压对耗尽层厚度的控制来改变漏极、源极之间导电沟道的宽度．从而控制漏、源极之间的等效电阻和电流的。
收稿日期。时，如果＝０，漏一源极之间也不可能导电。栅、源极之间外加正向电压 ＞０时，在ｇ—ｐ之间形成电场．在电场力的作用下ｐ区的电子移近ｇ极．
或者说栅极ｇ的正电位吸引ｐ区的电子至邻近栅极的一侧，当增大到超过开启电压值时，ｎ 和。
ａ）结构（ｂ）沟道（ｃ）沟道。
图１场效应晶体管ｍｏｓ的基本结构、符号和外接电路。
中间地区靠近ｇ极处被ｇ极正电位所吸引的电子数超过该处的空穴数以后，栅极下面原空穴多的ｐ
型半导体表面就变成电子数目多的ｎ型半导体表层。栅极下由栅极正电位所形成的这个ｎ型半导体表层感应产生了大量的电子载流子。它是一个电。
子浓度很高的沟道（称为ｎ沟道）这个沟道将ｎ 和ｎ 两个ｎ广ｘ＝联在一起，成为漏极ｄ和源极ｓ之间的导。
电沟道，一旦漏一源之间也有正向电压，就会形。
成漏极电流，ｎ。开始出现导电沟道的栅一源开启电压 ，一般约为１－４在＝０时，不能产生电。
流，ｉｄ仅在增大到ｕｃ．以后，才使ｇ—ｐ之。
间的外电场增强，形成自由电子导电沟道，才能。
产生漏极电流，ｎ，故称这种半导体器件为ｎ沟道增强型绝缘栅金属氧化物电力场效应晶体管，简写。
为简称为电力场效应晶体管或绝缘栅场效应管。场效应管依靠栅极电位形成电场、改变漏源极之问导电沟道的等效电阻，控制漏极。
电流，ｎ，这种控制作用又称为电导调制效应。
功率ｍｏｓ的特性。
．１转移特性。
漏极电流，ｎ和栅源电压的关系称为功率。
ｏｓｆ的转移特性，如图２ ｆ所示。从图中可。
知，当ｕｃｓ时，，『近似为零；当ｕｃｓ时，随着。
的增大，，『也增大。当较大时，与的关系。
近似为线性。曲线的斜率定义为跨导ｇ ，即。
跨导表示栅、源电压对漏极电流的控制能力。功率ｍｏｓ是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。２．输出特性。
以栅、源电压为参变量，反映漏极电流和。
围圈蟊。吒刘珊。
截止区＝ｕｔ
ａ）转移特性（ｂ）输出特性。
图２功率ｍｏｓ的转移特性和输出特性。
漏源电压之间关系的曲线簇叫做功率ｍｏｓ的输出特性，如图２（ｂ所示。从图中可以看出，功率ｍｏｓ的输出特性分为三个工作区：
１）截止区（对应于ｇｔｒ的截止区），
２）饱和区（对应于ｇｔｒ的放大区），＞一，当不变时，，ｄ几乎不随的增。
加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。
３）非饱和区（对应于ｇｔｒ的饱和区），＞一，漏源电压和漏极电流，ｄ之比近似。
为常数。功率ｍｏｓ作在开关状态．即在截止区和非饱和区之间来回转换。由于功率ｍｏｓ本身结构所致。在其漏极和源极之间形成了一个与之反向并联的寄生二极管，它与ｍｏｓ构成了一个不。
可分割的整体，使得在漏、源极间加反向电压时器件导通。因此，在使用功率ｍｏｓ时应特别注意这个寄生二极管的影响。
功率ｍｏｓ的通态电阻只有正温度系数，这。
一。点对器件并联时的均流有利。
＿３开关特性。
图３所示为功率ｍｏｓ的开关过程示意图。其测试电路如图３（ａ所示。图中为矩形波信号源，为信号源内阻，尺。
为栅极电阻，ｒ 为漏极负载电阻，ｒ 用于检测漏极电流。图３（ｂ所示为功率ｍｏｓ的开关特性曲线。图中是栅极电压波。
形，。是漏极电流波形，ｔｄ蛳１是开通延迟时间，ｔ
是上升时间，ｔ是关断延迟时间，ｔｆ下降时间。
因为功率ｍｏｓ存在输入电容ｃ 所以当脉冲电压 。的上升沿到来时，输入电容ｃｉ有充电过程，栅源电压呈指数规律上升，当璐上升到开。
刈胜。ａ）测试电路。
ｂ）开关特性曲线。
图３功率ｍｏｓ的开关过程。
启电压时，开始出现漏极电流ｉ。，这段时间称为。
开通延迟时间ｔ０ｉ此后，。随的上升而上升。
开启电压上升到功率ｍｏｓ进人非饱和区的栅压ｕｇｓ的这段时间称为上升时间ｔ，这时相当于。
临界饱和，漏极电流ｉ。也达到稳定值。。的稳定值由漏极电源电压和漏极负载电阻决定，的。
大小和 。的稳态值有关。
的值达到ｕｇｓ后，在脉。
冲信号源 。的作用下继续升高直至达到稳态，但 。已不再变化，相当于处于深饱和。功率ｍｏｓ的开通时间为开通延迟时间与上升时间之和，即。
舯＝ ㈨此过程为功率ｍｏｓ的开通过程。
当脉冲电压ｕ 下降到零时，功率ｍｏｓ进入关断过程，栅极输入电容ｃｉ上存储的电荷将通过信号源内阻ｒ 和栅极电阻 。（开始放电，栅极电压按指数规律下降，当下降到时，漏极电流 。才开始减小，这段时间称为关断延迟时间。
ｆ栅。此后ｃｉ继续放电，从处继续下降，减小。至ｕｓ＜时沟道消失，ｉｄ下降到零。这段时间称为下降时间ｔ，。关断延迟时间ｔ和下降时间ｔｒ
之和为功率ｍｏｓ的关断时间ｔ，即ｆ
从上面的开关过程分析可以看出，功率ｍｏｓ
ｅｔ的开关速度和其输人电容ｃｉ的充放电时间有很大关系，使用时虽然无法降低输人电容的值，但可以降低栅极驱动电路内阻ｒ ，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。功率ｍｏｓ只靠多子导电不存在少子储存效应．因而关断过程非常迅速，开关时间在１０～之间，工作频。
率可达１００以上，是电力电子器件中最高的。
功率ｍｏｓ是场控器件．在静态时几乎不需要输入电流。但是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，所需的驱动功率越大。
．４功率ｍｏｓ的主要参数。
除前面介绍的一些参数，如跨导ｇ开启电压以及开关过程中的各时间参数ｔｄ（叽１、ｔ胡）和之外，功率ｍｏｓ还有以下主要参数。
１）通态电阻尺。
通常规定：在确定的栅压下，ｍｏ由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻ｒ ，它是影响最大输出功率的重要参数，因为它决定了通态管压降和自身损耗的大小。随着器件结构不同，ｒ 的计算方法也不同。
２１开启电压（又称“阈值电压”）
开启电压是指沟道体区表面发生强反型层所需的最低栅极电压，它表明了反型层形成的条件。当栅压超过后，反型层即可形成沟道而连。
通漏区和源区，使ｍｏｓ脱离截止区。特别要说明的是，开启电压具有负温度系数，典型值为一６．７温度每升高ｉ￣ｃ下降６．７因此ｍｏｓ在开关工作时，应避免瞬时温升过高，因。
为这会使瞬时降低产生误导通，引起严重后果。工业上对的测量一般是将ｍｏｓ的漏极和栅极短路而使漏极电流，ｄ为ｌｍａ的最小栅极电压。
３）漏极电压。
即标称功率ｍｏｓ电压定额的参数，它决定。
了功率ｍｏｓ的最高工作电压ｆｂｙ
４）漏极直流电流，ｎ
漏极额定连续电流，ｄ和漏极额定峰值电流，ｄｍ或称脉冲峰值电流），即标称功率ｍｏｓ电流定额的参数。
５）栅源电压。
它表征功率ｍｏｓ栅源之间能承受的最高电。
压ｆｂｖ是为了防止栅源电压过高而导致栅源之间的绝缘层击穿而设定的参数。栅源之间的绝缘层很薄将导致绝缘层击穿。一般栅源电压的极限值＜±２
６）极间电容。
包括栅源电容ｃ岱、栅漏电容ｃ∞和漏源电容ｃ硝。一般生产厂家提供的是漏源极短路时的输人电容ｃｉ一共源极输出电容和反向转移电容ｃ 。它们之间的换算关系是。
＝ｃ舾＋ｃｇ
刈１，ｒ表１场效应管与普通三极管特性比较表。
项目。前面提到的输入电容ｃｉ可近似用ｃｉ代替。
７１开关时间。
器件名称。普通三极管。
场效应管。ｏｓｆ的开关时间包括开通时间ｔ『０和关断。
主要载流子是双极型器件．又是单极型器件．又￣￣ｌ它们与多种因素有关。工程上ｔｄ㈧和ｔｄ特点称双极型三极管称单极型三极管所对应的时间是各相应稳态值的１０％间。
控制方式电流控制。
电压控制。的时间，如图３所示。
类型。ｎｐ型、ｎｐ型两类 ｎ沟道、ｐ沟道两类。放大参数。
场效应管与普通三极管有许多区别，列入表。
输入电阻供读者参考。
噪声。较大。
较小。由于场效应管的种类较多，为了有个完整的。
热稳定性差好认识，现将场效应管转移特性和漏极特性集中地。
抗辐射能力弱。
强。编入表２，以便于比较和记忆。囹。
制造工艺较复杂简单、成本低。
表２场效应管的图形符号、极性及特性曲线。
共源形式的电压极性。
结构种类工作类型图形符号。
转移特性。漏极特性。或。
厶ｓｓ／一。
沟道结型。耗尽型。一ｉ负正。
一ｉ一。
一。沟道结型耗尽型一ｌ１．一。一ｌ正负。
蠹【厶ｓｓ厶’
－＿一。沟道绝缘。
耗尽型｝ｉ。一负正／－ｕ一０
皆。栅型增加型一＿ｊｉ
一零或负正。—一。一。
卜。耗尽型 ＿＿
。。。一正。
负． 一ｕｇ。一二／
沟道绝缘，竞。ｓ
正ｉ＝＝栅型。一。一。
．．一。增强型。
零或负负。一，ｄ
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