第15章半导体功率器件

1、高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件015.5 功率功率MOSFET 15.5.1 功率晶体管的结构 15.5.2 功率MOSFET的特性 15.5.3 寄生双极晶体管15.6 半导体闸流管半导体闸流管 15.6.1 半导体闸流管的基本特性 15.6.2 SCR的触发机理 15.6.3 SCR关断 15.6.4 器件结构 高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 功率功率MOSFET的电流的电流处理能力处理能力通常通常在安培数量级在安培数量级，漏源漏源间夹断间夹断电压电压50-100V或更高范围之内或更高范围之内。 功率功率MOSFET的优点是控制信号在栅极，栅极输入阻抗非的优点是控制信号

2、在栅极，栅极输入阻抗非常大。在开态（低阻态）与关态（高阻态）之间转换，栅常大。在开态（低阻态）与关态（高阻态）之间转换，栅电流很小，因此非常小的控制电流就可以转换成相对大的电流很小，因此非常小的控制电流就可以转换成相对大的电流。电流。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件15.5.1 功率晶体管的结构功率晶体管的结构MOST沟道宽，能得到大电流。为达到大阈值电压，采用垂直结构。两种基本的功率MOSFET结构，第一种DMOS器件如图所示：电子进入源区电极，横向从衬底下的反型层漂移至n型漂移区。然后电子垂直地从n 型漂移区漂移至漏区电极。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第二种VMOS是非

3、平面结构P衬底在整个表面形成，再进行源区扩散然后再通过延伸至n型漂移区做一个V型槽。栅氧化层生长在V型槽上，再镀金属栅极。在基区产生电子反型层。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件HEXFET：一种功率MOSFET的结构，这种结构是由许多的MOSFET并行放置形成的六角形组态。 HEXFET有很高的集成度，每平方厘米有10万个。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件15 .5.2 功率功率MOSFET的特性的特性 1. 两种功率MOSFET的特性参数 2N6757 2N6792VDS（MAX）V 150 400ID（MAX）A 8 2PDW 75 202. 导通电阻：功率MOSFET的漏

4、源之间的有效电阻DCHSonRRRR源区欧姆接触电阻，沟道电阻，漏区欧姆接触电阻高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件MOSFET工作在线性区的沟道电阻电流增大，温度升高，阈值电压随温度略微变化，迁移率减小，电阻增大，限制电流增大。这为功率MOSFET提供了稳定性。整个电流均匀分散到各个小单元中，避免器件损坏。)(TGSoxnCHVVCWLR高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 功率MOSFET比双极功率晶体管有更为出色的性能，其中包括：更快的开关转换时间；无二次击穿效应（安全工作区宽）；在一个更宽的温度范围内有稳定的增益以及响应时间。功率MOSFET的开关特性示意图高等半导体物理与器件

5、高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件3. 功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区 功率MOSFET的安全工作区由最大漏电流IDmax，额定击穿电压BVDSS，最大功耗PT=VDSID高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件例15.2：在MOSFET反向器电路中找到最佳的漏极电阻。对于负载A，漏极电阻为：8.4524RDDDDIV在最大功率点时的电流为：ARVIDDDD5 . 28 . 42242相应的漏源电压为：VRIVVDDDDDS128 . 45 . 224晶体管中最大消耗功率为：TDDSPWIVP30)5 . 2)(12(它对应的就是最大额定功率。高等半导体

6、物理与器件高等半导体物理与器件图图 15.27 例例15.2中器件的安全工作区与负载线中器件的安全工作区与负载线对于负载线B，漏极电阻为：6424DDDDIVR在最大功率点时的电流为：ARVIDDDD2)6(2242相应的漏源电压为：VRIVVDDDDDS12)6)(2(24晶体管中最大功耗为：WIVPDDD24)2)(12(它比最大额定功率小。若使用器件A，则漏极电阻由最大功率决定。若使用器件B，则漏极电阻由器件的最大额定电流决定。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件15.5.3 寄生双极晶体管寄生双极晶体管MOSFET自身的结构会产生一种寄生双极晶体管。源极视为n型发射极，n型漏区视为

7、n型集电区。MOSFET沟道长度视为寄生双极晶体管基区长度。沟道长度小，寄生双极晶体管电流增益会很大。寄生双极晶体管应该始终处于关断状态，意味着源区到衬底电压（发射极到基极）应该尽可能接近于零。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件由图中可看出寄生双极晶体管基极跟集电极是被栅和漏间的电容连在一起。当MOSFET处于关断状态，漏源电压会增加，由寄生集电极到寄生基极方向产生一个贯穿栅漏电容的寄生电流。这种电流可能会足够大，会在寄生电容上产生足够大的寄生电压来使发射结正偏，此时寄生晶体管处于导通。为了避免这种击穿，设计器件时，使寄生电阻、集电极基极分散电阻最小。开态寄生双极晶体管可能会产生一个大的

8、漏电流，这种电流可能使MOEFET烧坏。这种击穿机制称为反向击穿（在前面11.4.1节中讨论过）。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件15.6 半导体闸流管半导体闸流管 半导体闸流管：一系列半导体pnpn开关型器件的名称，这些器件有着双稳态正反馈开关特性 SCR（半导体可控整流器）三极半导体闸流管的通用名称高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 正偏： 正电压加在阳极上，J1和J3结正偏，但J2结反偏，只有非常小的电流。反偏： 负电压加在阳极上， J1和J3结反偏，同样只有一个非常小的电流。 VP是J2结的击穿电压15.6.1 半导体闸流管的基本特性高等半导体物理与器件高等半导体物理与器

9、件Pnpn闸流管可以看作npn和pnp两个晶体管的耦合对于较小的正偏电压VA，集电极电流就是反向饱和电流，所以1和2都很小，器件一直处于阻断状态）（）（）得：（）（因为：）（）（2121212121211222211112121COCOACOCOAACCACCKABCOKCBCOACIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件使闸流管处于导通状态的方法：1. 加足够大的阳极电压使J2结发生雪崩击穿J2结进入雪崩击穿时的pnpn器件器件处于 大电流低阻抗态时pnpn结构的结电压高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 雪崩击穿产生的电子被扫进n1区，使n1

10、区有更多负电，空穴被扫进p2区，使p2区带更多正电。所以正偏电压V1和V3都开始增加，E-B结电压增加引起电流增加，电流增益1和2都增加，所以导致IA增加。 高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 随着阳极电流IA增加，基极电流增益1和2增大，两个等效的BJT被驱使进入饱和状态，J2结正偏。整个器件的总电压很小。 IA和VA的关系曲线如图高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件15.6.2 SCR的触发机理的触发机理 SCR：三电极的半导体闸流管，第三个电极用于施加栅控信号）（）（）得：（）（）（）（212122122121211222211112121COCOgACOCOgAACCACCg

11、AKBCOKCBCOACIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 栅控电流是作为空穴的漂移电流而流进p2区的。多余的空穴提高了P2区的电势，同时也增加了npn晶体管B-E结的正偏电压以及晶体管的1， npn晶体管的效应增加会增加集电极电流IC2，而IC2的增加又会使pnp晶体管的效应提高，于是整个pnpn器件从关态过度到低阻的导通态。 用于使SCR导通的栅控电流是mA量级，即小电流就能开启SCR。 开启后，栅电流可以关断，但SCR仍处于导通状态高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件SCR在半波整流电路中的应用高等半导体物理与器件高等半导体物理

12、与器件15.6.3 SCR的关断的关断 向器件的p2区注入空穴可以触发SCR使其导通。 从P2区抽走空穴就可以关断SCR。即加反偏栅电流使npn晶体管脱离饱和状态就会使SCR从导通转换到关断状态高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件15.6.4 器件结构器件结构1. 基本的SCR结构P1区和p2区的宽度75m左右，n1区高阻轻掺杂，宽度250 m，使J2结有相当大的击穿电压图图 15.36 基本的基本的SCR器件结构器件结构高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件2.双边对称的闸流管 反向并联两个常规的闸流管 应用于交流功放中，在交流 电压的正负周期中，均匀整 齐的转换，两个电极交替作 为阳

13、极和阴极。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件三端双向可控硅开关元件独立的栅极要为两个反向并联闸流管服务，称为三端双向可控硅开关元件，右图显示了这种器件的交叉结构。它可以被任意极性的栅控制信号以及任意极性的阳极-阴极电压触发进入导态。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件带有特殊偏置组态的三端双向可控硅开关元件一种特殊栅控情况如图，相对电极2，电极1是正极，所以相对电极1，加了一个负极性的栅电压，栅电流也是负的。在这种电压极性下会产生电流I1,J4正偏。电子从n3发出，渡越p2，在n1区被收集。于是n3p2n1就像饱和工作状态下晶体管。n1区收集电子降低n1区电势。贯穿p1n2电流会增加，从而触发p2n1p1n4闸流管进入导通状态。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 MOS栅控闸流管是基于控制npn双极晶体管的增益。若栅极电压为零，npn晶体管增益很低。当加正的栅压，p型基区表面耗尽，p型基区耗尽区与栅相邻。该npn双极器件未耗尽基区宽度w会变窄，器件增益增加。3. MOS 栅控闸流管 高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件当栅极电压大于阈值电压，n+发射区电子穿过耗尽区进入n型漂移区，导致其电势下降，进一步正偏p+阳极与n型漂移结电压，产生正反馈。导通栅电压大约是MOS器件阈电压。该器件优点是控制极输入阻抗高，相关大电流能转换成很小容量的