第四讲 功率场效应管

电力电子器件基础第1章第2页电力电子器件概述第一讲功率二极管第二讲功率晶体管第三讲晶闸管第四讲功率场效应器件/IGBT第五讲半导体器件的塑料封装功率场效应管分类根据其结构不同分为结型场效应晶体管(JFET-JunctionFieldEffectTransistor)，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET-Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor)。根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类；根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类。第1章第4页4.2MOS场效应管MOSFET为三端元件。由一个MOS与两个相邻的pn结构成.为集成电路中最重要的元件与相同功能的双极性晶体管(GTR)相比,面积小，可以增加集成电路的密度。工艺步骤较少，制造成本较低。做成CMOS(NMOS+PMOS)，功率消耗更低。第1章第5页4.2.1MOS结构为MOSFET的核心部分：由上往下之材料分別为金属、氧化层及半导体。氧化层的厚度通常Si衬底是接地的，所以金属相对Si背面欧姆接触面为正偏压时，V为正,反之,V为负。第1章第6页4.2.2理想的MOS定义：TheIdealMOS在没有加外加偏压时（即热平衡状态），金属功函数qm和半导体功函数qs的能量差为零，即功函数差qms等于零。

其中qB:为费米能级EF和本怔费米能级Ei的能量差

qχ:

半导体电子亲和力换句话说，当无外加偏压时，能带是平的。（称为平带状态flatbandcondition)。第1章第7页4.2.2理想的MOS定义（续）在任意偏压下，MOS结构的电荷只有半导体电荷和靠近氧化层的金属表面电荷两种，二者的电量相等但极性相反。在直流偏压下，没有载流子流过氧化层，既氧化层的电阻是无穷大。综上所述，可知理想的MOS结构相当与一个平行平板电容器的特性。第1章第8页4.2.3理想的MOS结构能带图门极无偏压时，

(V=0)的p-type半导体MOS机构的能带图第1章第9页4.2.4非平衡状态下的能带图（p型）当偏压不为零时，能带图两侧因下拉、上移而弯曲。半导体的载流子密度和能量差呈指数关系，如下式：能带图弯曲，使EF与Ei的差改变，形成以下情形：积累(accumulation):V<0耗尽(depletion):V>0反型(inversion):V>>0第1章第10页

V<0，由于形成表面空穴堆积，所以称为积累accumulation空穴受电场作用上移于表面形成空穴堆积EF更靠近Ev，故空穴剧增4.2.4非平衡状态下的能带图（p型）第1章第11页

V>0，因空穴远离表面，形成耗尽区。EF更远离Ev，空穴减少，剩下固定的受主离子V越大，W越大。4.2.4非平衡状态下的能带图（p型）第1章第12页V>>0時，EF远离Ev且EF已超过Ei，此种情形为n型能帶，所以p型半导体表面的载流子变为电子，称为反型。4.2.4非平衡状态下的能带图（p型）第1章第13页Ψs〈0：空穴积累Ψs＝0：平帶狀況ΨB〉Ψs〉0：空穴耗尽Ψs=ΨB：ns=np=niΨs〉ΨB：反型Ψs〉2ΨB：强反型s：表面电位当表面电子浓度ns=Na時时，称为强反型．bulk由半导体电子浓度公式可得4.2.4非平衡状态下的能带图（p型）第1章第14页V<<0時，EF远离Ec且EF已超过Ei，此种情形为p型之能帶，故n型半导体表面的载流子为空穴。非平衡状态下的能带图（n型）第1章第15页4.2.5耗尽区宽度在耗尽和反型状态下都有耗尽区．同n+p结的电荷电场，电位分析可知当强反型时，偏压略有改变，电子浓度会大量增加（指数关系），所以，耗尽区电荷的改变不大，可说此时，耗尽区宽度已达最大。第1章第16页4.2.6理想MOS曲线没有功函数差时,外加偏压降落在氧化层和半导体上。其中第1章第17页4.2.6理想MOS曲线（C-V图）积累情况下，负偏压加的越多,积累在半导体表面的空穴浓度越大，同时金属表面感应的负电荷也增加,电压降落在氧化层上。这时,MOS的单位面积的电容只是氧化层电容：……..为定值第1章第18页耗尽时，随着正偏压的增加，半导体耗尽区宽度增加，同时金属表面感应的正电荷也增加。电压降落在氧化层和耗尽区之间。相当于氧化层电容和半导体的接触电容串联起来：V越大，耗尽区宽度越大，Cj越小，C’(depl)越小4.2.6理想MOS曲线（C-V图）第1章第19页耗尽情形下的C-V图其中：整理后可得：随着V增大，电容值会下降第1章第20页4.2.6理想MOS曲线（C-V图）（续）

反型情况下，电荷的变化要到受频率的影响。在低频情况下时，正偏压加的越多，半导体耗尽区的宽度不变(Wm)，固定的受主离子不变，增加的是半导体表面的反型的电子浓度，同时金属表面感应的正电荷也增加。这时候的外加电压称为临界电压：第1章第21页4.2.6理想MOS曲线（C-V图）（低频）刚刚反型之点，反型电子为零，耗尽区宽度达到最大值。积累时MOS的单位面积的电容只是氧化层的电容：第1章第22页4.2.6理想MOS曲线（C-V图）（高频）高频下的反型时，由于作为少数栽流子的反型电子无法及时反应，耗尽区的宽度也无明显的变化，所以电容不会增加，维持在最低值。第1章第23页第1章第24页4.2.6理想MOS曲线（C-V）（n型半导体）第1章第25页4.2.7

实际的MOS结构与理想的MOS结构最大的差异：a.金属电极和半导体功函数差qms不为零；b.氧化层中或界面处有电荷存在。所以热平衡时的半导体区能带图有弯曲，不是平带情形(flat-bandcondition)。

ms欲使半导体恢复平带状况之电压（平带电压flat-bandvoltage)。第1章第26页1.功函数差：功函数：真空能级与费米能级差平衡状态下（无偏压），半导体能带为弯曲的。第1章第27页常用电极材料：铝：功函数为4.1e.vn+硅：功函数为4.05e.vp+硅：功函数为5.05e.v功函数差和电极材料及衬底掺杂浓度有关。第1章第28页2.平带电压（Flat-bandvoltage）定义：使半导体区能带无弯曲所施加的门极电压。加门极电压，跨越氧化层及半导体的表面电位会改变：即ms既半导体内无电荷存在第1章第29页3.氧化层电荷：可区分为四种电荷:1.界面陷阱电荷(Qit)2.固定氧化物电荷(Qf)3.氧化层陷阱电荷(Qot)4.可动离子电荷(Qm)第1章第30页界面陷阱电荷(Qit)(interfacetrappedcharge)

产生原因：

起因于Si-SiO2介界面的不连续性及界面上的不饱和键，通常Qit的大小与界面化学成分有关。

改善方法：

于硅上以热成长SiO2的MOS使用低温（约450℃）氢退火来中和大部分的界面陷阱电荷，或选择低缺陷的硅片（即(100)晶片）。第1章第31页固定氧化层电荷Qf(fixedoxidecharge)

产生原因：

当氧化停止时，一些离子化的硅就留在界面处（约30Å处）。这些离子及硅表面上的不完全硅键合，产生了正的固定氧化层电荷Qf。

改善方法：

可调整氧化工艺的调整或退火

(Annealing)来降低其影响力或是选择较佳的晶格方向。第1章第32页氧化层陷阱电荷Qot(oxidetrappedcharge)

产生原因：

主要是因为MOS制作时所产生的电子/空穴被氧化层内的杂质或未饱和键所捕捉,而成陷阱电荷。

改善方法：

可利用低温回火消除掉。第1章第33页

可移动离子电荷Qm(mobileioniccharge)

产生原因：

通常是钠、钾离子等碱性金属杂质，在高温和高正、负偏压工作时，可在氧化层中来回移动，并使的电容电压特性沿着电压轴产生平移。改善方法：

在进行硅氧化时，于反应气体中加入适量的HCl，其中的Cl离子会中和SiO2层中的碱金属离子。第1章第34页平带电压VFB（续）当VG=VFB时，s=0，故可得：氧化层所跨电位由以下分析可知：平衡状态Vox平带状态平带状态下，假设氧化层电荷QO存在半导体之界面处（即x0=d），则可得：FB（假设无功函数差）第1章第35页平带电压VFB（续）若氧化层中的电荷分布为任意分布（一般情况），平带电压可以表示为：再考虑函数差，并忽略界面陷阱电荷，平带电压会变为：第1章第36页氧化层电荷对CV图的影响其中平带电压介于积累态和耗尽态之间：由平带电压公式可知：(Qo包括Qf、Qot

、Qm)Qo为正时，平带电压会比ms小Qo为负时，平带电压会比ms大第1章第37页氧化层电荷对CV图的影响（续）由平带电压的分析可知，当氧化层电荷为正时，CV图会向左平移，且电荷越多，平移量越多；当氧化层电荷为负时，CV图会往右平移。Qo包括：固定氧化层电荷Qf、氧化层陷阱电荷Qot

以及可移动离子电荷Qm。4.2.8MOS场效应管的结构和工作原理MOS场效应晶体管的基本结构L：通道长度Z：通道宽度d：氧化层厚度

rj

：结深门极源极漏极加适当的门极电压使得门极下方产生反型层，形成通道，连接源极和漏极区。源极为载流子的来源，经过通道流向漏极极。当基底为P型时，载流子为电子，所以，电流由漏极流向源极。当基底为N型时，载流子为空穴，电流由源极流向漏极。2.功率MOS场效应晶体管的结构

A. 最初的功率MOS是VVMOSFET结构，为美国雷达公司1975年首先提出。在N+上外延生长N-漂移区，再选择扩散P沟道区，P区内再选择扩散N+源区。各向异性腐蚀V型槽，V型槽上做成MOS结构，衬底N+做漏极，当在栅极上加上适当的电压，会在P型体区形成N型反型层，成为沟通源区和漏区的导电通道。这样一来，电子从N+源区出发，经过沟道流到N-漂移区，然后垂直流到漏极，首次改变了MOSFET电流沿表面水平方向流动的传统概念，实现电流的垂直流动。B.常见的VDMOS结构采用垂直导电的双扩散MOS结构，利用两次扩散形成的P型和N+型区，在硅片表面处的结深之差形成沟道，上表面做成MOS结构，电流在沟道内沿表面流动，然后垂直被漏极接收。

VDMOS管的衬底是重掺杂(超低阻)N+单晶硅片，其上延生长一高阻N－层(最终成为漂移区，该层电阻率及外延厚度决定器件的耐压水平),在N－上经过P型和N型的两次扩散，形成N+N－PN+结构。

栅极为零偏压时，iD被P型体区阻隔，漏源之间的电压UDS加在反向PN－结上，整个器件处于阻断状态。当栅极正偏压超过阈值电压UT时沟通道由P型变成N+型，这个反型的沟道成为iD电流的通道，整个器件又处于导通状态。它靠N+型沟道来导电故称之为N沟道VDMOS管。在MOSFET中只有一种载流子(N沟道时是电子，P沟道时是空穴)。由于电子的迁移率比空穴高3倍左右，从减小导通电阻增大导通电流计，一般常用N沟道器件。

功率MOSFET在特性上的优越之处在于没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗高、跨导的线性度好和工作频率高。C.MOSFET的多元集成结构下图所示为IR功率MOSFET的基本结构。图中每一个六角形是一个MOSFET的原胞(cell)。正因为原胞是六角形的(hexangular)，因而IR常把它称为HEXFET。功率MOSFET通常由许多个MOSFET原胞组成。已风行了十余年的IR第三代(Gen-3)HEXFET每平方厘米约有18万个原胞，目前世界上密度最高的IR第八代(Gen-8)HEXFET每平方厘米已有1740万个原胞。3.功率场效应晶体管的工作原理当栅源极电压UGS＝0时，漏极下的P型区表面不出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P区内载流子的移动，即VMOS管保持关断状态。当栅源极电压UGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS管仍保持关断状态。当栅源极电压UGS超过强反型条件时，栅极下面的硅的表面从P型反型成N型，形成N型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使MOS管进入导通状态。4.功率MOSFET的特性和主要参数1.功率场效应晶体管的特性(1)功率MOSFET的转移特性转移特性表示功率MOSFET的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。转移特性表示功率MOSFET的放大能力，与GTR中的电流增益相仿，由于功率MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。定义为：

gm=ΔId/Δugs单位：西门子（1/欧姆）功率MOSFET的转移特性和输出特性曲线(2)功率MOSFET的输出特性当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS间关系曲线称为VMOSFET的输出特性。只有当栅源电压UGS达到或超过强反型条件时，使MOSFET进入导通状态。栅源电压UGS越大，漏极电流越大，可见漏极电流ID受栅源电压UGS的控制。输出特性分为三个区域，可调电阻区、饱和区和雪崩区。

在可调电阻区Ⅰ内，器件的电阻值是变化的。当栅源电压UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若漏源电压UDS很小时，对沟道的影响可忽略，此时沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以ID与UDS几乎呈线性关系。在饱和区Ⅱ中，当UGS不变时，ID趋于不变。当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区Ⅲ，直至器件损坏。使用时应避免出现这种情况。第1章第48页饱和区（Saturationregion）当VDS逐渐增加，靠近漏极附近的氧化层所承受的电压减小，产生反型电荷的能带弯曲变小，所以反型电子减少，ID-VDS曲线的斜率逐渐减小。当漏极电压增加使得漏极端氧化层的电压恰好等于开启电压VT，此时反型电子密度为零，（称为夹断)，故ID-VDS曲线的斜率变为零，即电流维持不变，达到饱和。此时

功率MOSFET开关特性(3)功率MOSFET的开关特性因为MOSFET存在输入电容Ci，Ci有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升,当UGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD，从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间称为开通延迟时间td。随着UGS增加，iD上升，从有iD到iD达到稳态值所用时间称为上升时间tr。开通时间ton可表示为延迟时间和上升时间之和

ton＝td＋tr

当脉冲电压下降到零时，栅极输入电容Ci通过信号源内阻RS和栅极电阻RG开始放电，栅极电压UGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，漏极电流才开始减小，这段时间称为关断延迟时间ts。之后，Ci

继续放电，从iD减小，到UGS＜UT沟道关断，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff可表示为延迟时间和下降时间之和：

toff＝ts＋tf

由上分析可知，改变信号源内阻RS，可改变Ci充、放电时间常数，影响开关速度。(4)安全工作区(SOA)

功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压范围内，但是功率MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。正向偏置安全工作区①正向偏置安全工作区(FBSOA)

正向偏置安全工作区由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线，②开关安全工作区(SSOA)

开关安全工作区(SSOA)表示器件工作的极限范围。在功率MOSFET换流过程中，当器件体内反并联二级管从导通状态进入反向恢复期时，如果漏极电压上升过大，则很容易造成器件损坏。二极管反向恢复期内漏源极的电压上升率称为二极管恢复耐量，二极管恢复耐量是功率MOSFET可靠性的一个重要参数。2.功率场效应晶体管的主要参数(1)漏源击穿电压BUDS：该电压决定了功率MOSFET的最高工作电压。(2)栅源击穿电压BUGS

：该电压表征了功率MOSFET栅源之间能承受的最高电压。(3)漏极最大电流ID：表征功率MOSFET的电流容量。(4)开启电压UT：又称阈值电压，它是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。(5)通态电阻Ron：通态电阻Ron是指在确定的栅源电压UGS下，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。(6)极间电容：功率MOSFET的极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。

一般生产厂家提供的是漏源短路时的输入电容Ci、共源极输出电容Cout及反馈电容Cf，它们与各极间电容关系表达式为

Ci＝CGS＋CGDCout＝CDS＋CGDCf＝CGD

显然，Ci﹑Cout和Cf均与栅漏电容CGD有关。(2)功率MOSFET对栅极驱动电路的要求①保证功率MOSFET可靠开通和关断，触发脉冲前、后沿要求陡峭。②减小驱动电路的输出电阻，可提高功率MOSFET的开关速度。③触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在功率MOSFET截止时，最好能提供负的栅源电压。④功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。6.功率MOSFET的保护(1)静电保护在静电较强的场合，容易静电击穿，造成栅源短路。①应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。②工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好使用12V～24V的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。③在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零(2)栅源间的过电压保护适当降低驱动电路的阻抗，在栅源间并接阻尼电阻。(3)短路、过电流保护功率MOSFET的过电流和短路保护与GTR基本类似，仅是快速性要求更高，在故障信号取样和布线上要考虑抗干扰，并尽可能减小分布参数的影响。(4)漏源间的过电压保护在感性负载两端并接箝位二极管，在器件漏源两端采用二极管VD及RC箝位电路或采用RC缓冲电路。7.功率MOSFET的串并联(1).功率MOSFET的串联连接一般来说，因功率MOSFET经常工作在高频开关电路中，常用的电阻与电容串并联在解决动态均压时，由于分布参数的影响，难以做到十分满意，所以除非必要，通常不将它们串联工作。(2).功率MOSFET的并联连接由于功率MOSFET的导通电阻是单极载流子承载的，具有正的电阻温度系数。当电流意外增大时，附加发热使导通电阻自行增大，对电流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET对电流有一定的自限流能力，比较适合于并联使用而不必采用并联均流措施。4.2.8绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和GTR的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。目前，IGBT的容量水平达(1200～1600A)/(1800～3330V),工作频率达40kHz以上。1.结构和工作原理(1).绝缘栅双极型晶体管的结构

IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。IGBT的结构、符号及等效电路三端器件：栅极G、集电极C和发射极E(2).绝缘栅双极型晶体管的工作原理当UDS＜0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。当UDS＞0时，分两种情况：①若门极电压UG＜开启电压UT，IGBT呈正向阻断状态。②若门极电压UG＞开启电压UT，IGBT正向导通。2.IGBT的主要特性(1)IGBT的伏安特性伏安特性表示器件的端电压和电流的关系。对IGBT来说，就是以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性与GTR基本相似，不同之处是以栅射电压UGE为参变量，而不是基极电流。UCE<0是反向阻断状态。UCE>0时，也可分为饱和区、放大区和正向阻断区，UCE再增加可以进入击穿区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。IGBT的伏安特性和转移特性(2)IGBT的转移特性是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGE＜UGEth时，IGBT处于关断状态当UGE＞UGEth时，IGBT导通。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。(3)开关特性第1章第71页

IGBT的开通过程

与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(on)

——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM

电流上升时间tr

——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间

开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程第1章第72页

IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)

——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM

电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM

关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢

(4)擎住效应

IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻，P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。(5)安全工作区

IGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM是根据避免动态擎住而确定的，最大集射极电压UCEM是由IGBT