第十五章半导体功率器件

第十五章半导体功率器件15.5功率MOSFET功率MOSFET的电流通常A，电压50-100V。与功率BJT比，其优点是栅极的控制电流很小。功率MOSFET是由并行运行的重复结构单元构成的。要达到大的阈值电压，要采用垂直结构，要得到大的电流，使沟道宽度非常宽。功率MOSFET有两种基本结构：DMOS和VMOS15.5.1功率晶体管的结构双扩散DMOS晶体管的横截面图DMOS器件双扩散工艺：源区和衬底是通过栅的边缘所确定的窗口进行扩散形成的。衬底和源区横向扩散距离的不同决定了表面的沟道长度。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。垂直沟道VMOSVMOS是非平面结构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。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10万个图15.22HEXFET结构15.5.2功率MOSFET的特性

1.两种功率MOSFET的特性参数2N67572N6792VDS（MAX）\V150400ID（MAX）\A82PD\W75202.导通电阻：功率MOSFET的漏源之间的有效电阻MOSFET工作在线性区的沟道电阻电流增大，温度升高，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。因此在功率MOSFET中电流会均匀地分散到各个小单元中。图15.23MOSFET的典型漏源电阻随漏电流变化的特性曲线Figure15.153.功率MOSFET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图15.25MOSEFET的安全工作区。（a）线性坐标；（b）对数坐标例15.2：在MOSFET反向器电路中找到最佳的漏电阻图15.26MOSEFET反相器电路图15.27例15.2中器件的安全工作区与负载线15.5.3寄生双极晶体管功率晶体管在封装时采用散热片，多余的热量可以及时排出。考虑散热片的影响时，引入热阻（单位：C/W），通过元件的热功率P器件中的最大安全功耗15.6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

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阳极阴极CB结EB结EB结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结构的结电压雪崩击穿产生的电子被扫进n1区，使n1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。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的关系曲线如图图15.32pnpn器件的电流-电压特性曲线反向阻断反向阻断正向导通15.6.2SCR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图15.33（a）三极SCR；（b）三极SCR的双晶体管等效电路图15.34SCR的电流-电压特性曲线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SCR在半波整流电路中的应用图15.35（a）简单的SCR电路；（b）输入交流电压信号和触发脉冲；（c）输出电压与时间的关系15.6.3SCR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15.5.4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250m，使J2结有相当大的击穿电压图15.36基本的SCR器件结构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极和阴极