第15章半導(dǎo)體功率器件

1、高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件015.5 功率功率MOSFET 15.5.1 功率晶體管的結(jié)構(gòu) 15.5.2 功率MOSFET的特性 15.5.3 寄生雙極晶體管15.6 半導(dǎo)體閘流管半導(dǎo)體閘流管 15.6.1 半導(dǎo)體閘流管的基本特性 15.6.2 SCR的觸發(fā)機(jī)理 15.6.3 SCR關(guān)斷 15.6.4 器件結(jié)構(gòu) 高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件 功率功率MOSFET的電流的電流處理能力處理能力通常通常在安培數(shù)量級在安培數(shù)量級，漏源漏源間夾斷間夾斷電壓電壓50-100V或更高范圍之內(nèi)或更高范圍之內(nèi)。 功率功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是控制信號在柵極，柵極輸入阻抗非的優(yōu)點(diǎn)是控制信號

2、在柵極，柵極輸入阻抗非常大。在開態(tài)（低阻態(tài)）與關(guān)態(tài)（高阻態(tài)）之間轉(zhuǎn)換，柵常大。在開態(tài)（低阻態(tài)）與關(guān)態(tài)（高阻態(tài)）之間轉(zhuǎn)換，柵電流很小，因此非常小的控制電流就可以轉(zhuǎn)換成相對大的電流很小，因此非常小的控制電流就可以轉(zhuǎn)換成相對大的電流。電流。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件15.5.1 功率晶體管的結(jié)構(gòu)功率晶體管的結(jié)構(gòu)MOST溝道寬，能得到大電流。為達(dá)到大閾值電壓，采用垂直結(jié)構(gòu)。兩種基本的功率MOSFET結(jié)構(gòu)，第一種DMOS器件如圖所示：電子進(jìn)入源區(qū)電極，橫向從襯底下的反型層漂移至n型漂移區(qū)。然后電子垂直地從n 型漂移區(qū)漂移至漏區(qū)電極。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件第二種VMOS是非

3、平面結(jié)構(gòu)P襯底在整個表面形成，再進(jìn)行源區(qū)擴(kuò)散然后再通過延伸至n型漂移區(qū)做一個V型槽。柵氧化層生長在V型槽上，再鍍金屬柵極。在基區(qū)產(chǎn)生電子反型層。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件HEXFET：一種功率MOSFET的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由許多的MOSFET并行放置形成的六角形組態(tài)。 HEXFET有很高的集成度，每平方厘米有10萬個。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件15 .5.2 功率功率MOSFET的特性的特性 1. 兩種功率MOSFET的特性參數(shù) 2N6757 2N6792VDS（MAX）V 150 400ID（MAX）A 8 2PDW 75 202. 導(dǎo)通電阻：功率MOSFET的漏

4、源之間的有效電阻DCHSonRRRR源區(qū)歐姆接觸電阻，溝道電阻，漏區(qū)歐姆接觸電阻高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件MOSFET工作在線性區(qū)的溝道電阻電流增大，溫度升高，閾值電壓隨溫度略微變化，遷移率減小，電阻增大，限制電流增大。這為功率MOSFET提供了穩(wěn)定性。整個電流均勻分散到各個小單元中，避免器件損壞。)(TGSoxnCHVVCWLR高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件 功率MOSFET比雙極功率晶體管有更為出色的性能，其中包括：更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間；無二次擊穿效應(yīng)（安全工作區(qū)寬）；在一個更寬的溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的增益以及響應(yīng)時間。功率MOSFET的開關(guān)特性示意圖高等半導(dǎo)體物理與器件

5、高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件3. 功率功率MOSFET的安全工作區(qū)的安全工作區(qū) 功率MOSFET的安全工作區(qū)由最大漏電流IDmax，額定擊穿電壓BVDSS，最大功耗PT=VDSID高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件例15.2：在MOSFET反向器電路中找到最佳的漏極電阻。對于負(fù)載A，漏極電阻為：8.4524RDDDDIV在最大功率點(diǎn)時的電流為：ARVIDDDD5 . 28 . 42242相應(yīng)的漏源電壓為：VRIVVDDDDDS128 . 45 . 224晶體管中最大消耗功率為：TDDSPWIVP30)5 . 2)(12(它對應(yīng)的就是最大額定功率。高等半導(dǎo)體

6、物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件圖圖 15.27 例例15.2中器件的安全工作區(qū)與負(fù)載線中器件的安全工作區(qū)與負(fù)載線對于負(fù)載線B，漏極電阻為：6424DDDDIVR在最大功率點(diǎn)時的電流為：ARVIDDDD2)6(2242相應(yīng)的漏源電壓為：VRIVVDDDDDS12)6)(2(24晶體管中最大功耗為：WIVPDDD24)2)(12(它比最大額定功率小。若使用器件A，則漏極電阻由最大功率決定。若使用器件B，則漏極電阻由器件的最大額定電流決定。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件15.5.3 寄生雙極晶體管寄生雙極晶體管MOSFET自身的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一種寄生雙極晶體管。源極視為n型發(fā)射極，n型漏區(qū)視為

7、n型集電區(qū)。MOSFET溝道長度視為寄生雙極晶體管基區(qū)長度。溝道長度小，寄生雙極晶體管電流增益會很大。寄生雙極晶體管應(yīng)該始終處于關(guān)斷狀態(tài)，意味著源區(qū)到襯底電壓（發(fā)射極到基極）應(yīng)該盡可能接近于零。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件由圖中可看出寄生雙極晶體管基極跟集電極是被柵和漏間的電容連在一起。當(dāng)MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，漏源電壓會增加，由寄生集電極到寄生基極方向產(chǎn)生一個貫穿柵漏電容的寄生電流。這種電流可能會足夠大，會在寄生電容上產(chǎn)生足夠大的寄生電壓來使發(fā)射結(jié)正偏，此時寄生晶體管處于導(dǎo)通。為了避免這種擊穿，設(shè)計(jì)器件時，使寄生電阻、集電極基極分散電阻最小。開態(tài)寄生雙極晶體管可能會產(chǎn)生一個大的

8、漏電流，這種電流可能使MOEFET燒壞。這種擊穿機(jī)制稱為反向擊穿（在前面11.4.1節(jié)中討論過）。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件15.6 半導(dǎo)體閘流管半導(dǎo)體閘流管 半導(dǎo)體閘流管：一系列半導(dǎo)體pnpn開關(guān)型器件的名稱，這些器件有著雙穩(wěn)態(tài)正反饋開關(guān)特性 SCR（半導(dǎo)體可控整流器）三極半導(dǎo)體閘流管的通用名稱高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件 正偏： 正電壓加在陽極上，J1和J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，只有非常小的電流。反偏： 負(fù)電壓加在陽極上， J1和J3結(jié)反偏，同樣只有一個非常小的電流。 VP是J2結(jié)的擊穿電壓15.6.1 半導(dǎo)體閘流管的基本特性高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器

9、件Pnpn閘流管可以看作npn和pnp兩個晶體管的耦合對于較小的正偏電壓VA，集電極電流就是反向飽和電流，所以1和2都很小，器件一直處于阻斷狀態(tài)）（）（）得：（）（因?yàn)椋海ǎ?121212121211222211112121COCOACOCOAACCACCKABCOKCBCOACIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件使閘流管處于導(dǎo)通狀態(tài)的方法：1. 加足夠大的陽極電壓使J2結(jié)發(fā)生雪崩擊穿J2結(jié)進(jìn)入雪崩擊穿時的pnpn器件器件處于 大電流低阻抗態(tài)時pnpn結(jié)構(gòu)的結(jié)電壓高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件 雪崩擊穿產(chǎn)生的電子被掃進(jìn)n1區(qū)，使n1

10、區(qū)有更多負(fù)電，空穴被掃進(jìn)p2區(qū)，使p2區(qū)帶更多正電。所以正偏電壓V1和V3都開始增加，E-B結(jié)電壓增加引起電流增加，電流增益1和2都增加，所以導(dǎo)致IA增加。 高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件 隨著陽極電流IA增加，基極電流增益1和2增大，兩個等效的BJT被驅(qū)使進(jìn)入飽和狀態(tài)，J2結(jié)正偏。整個器件的總電壓很小。 IA和VA的關(guān)系曲線如圖高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件15.6.2 SCR的觸發(fā)機(jī)理的觸發(fā)機(jī)理 SCR：三電極的半導(dǎo)體閘流管，第三個電極用于施加?xùn)趴匦盘枺ǎǎ┑茫海ǎǎǎ?12122122121211222211112121COCOgACOCOgAACCACCg

11、AKBCOKCBCOACIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件 柵控電流是作為空穴的漂移電流而流進(jìn)p2區(qū)的。多余的空穴提高了P2區(qū)的電勢，同時也增加了npn晶體管B-E結(jié)的正偏電壓以及晶體管的1， npn晶體管的效應(yīng)增加會增加集電極電流IC2，而IC2的增加又會使pnp晶體管的效應(yīng)提高，于是整個pnpn器件從關(guān)態(tài)過度到低阻的導(dǎo)通態(tài)。 用于使SCR導(dǎo)通的柵控電流是mA量級，即小電流就能開啟SCR。 開啟后，柵電流可以關(guān)斷，但SCR仍處于導(dǎo)通狀態(tài)高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件SCR在半波整流電路中的應(yīng)用高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理

12、與器件15.6.3 SCR的關(guān)斷的關(guān)斷 向器件的p2區(qū)注入空穴可以觸發(fā)SCR使其導(dǎo)通。 從P2區(qū)抽走空穴就可以關(guān)斷SCR。即加反偏柵電流使npn晶體管脫離飽和狀態(tài)就會使SCR從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài)高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件15.6.4 器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)1. 基本的SCR結(jié)構(gòu)P1區(qū)和p2區(qū)的寬度75m左右，n1區(qū)高阻輕摻雜，寬度250 m，使J2結(jié)有相當(dāng)大的擊穿電壓圖圖 15.36 基本的基本的SCR器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件2.雙邊對稱的閘流管 反向并聯(lián)兩個常規(guī)的閘流管 應(yīng)用于交流功放中，在交流 電壓的正負(fù)周期中，均勻整 齊的轉(zhuǎn)換，兩個電極交替作 為陽

13、極和陰極。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件三端雙向可控硅開關(guān)元件獨(dú)立的柵極要為兩個反向并聯(lián)閘流管服務(wù)，稱為三端雙向可控硅開關(guān)元件，右圖顯示了這種器件的交叉結(jié)構(gòu)。它可以被任意極性的柵控制信號以及任意極性的陽極-陰極電壓觸發(fā)進(jìn)入導(dǎo)態(tài)。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件帶有特殊偏置組態(tài)的三端雙向可控硅開關(guān)元件一種特殊柵控情況如圖，相對電極2，電極1是正極，所以相對電極1，加了一個負(fù)極性的柵電壓，柵電流也是負(fù)的。在這種電壓極性下會產(chǎn)生電流I1,J4正偏。電子從n3發(fā)出，渡越p2，在n1區(qū)被收集。于是n3p2n1就像飽和工作狀態(tài)下晶體管。n1區(qū)收集電子降低n1區(qū)電勢。貫穿p1n2電流會增加，從而觸發(fā)p2n1p1n4閘流管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件 MOS柵控閘流管是基于控制npn雙極晶體管的增益。若柵極電壓為零，npn晶體管增益很低。當(dāng)加正的柵壓，p型基區(qū)表面耗盡，p型基區(qū)耗盡區(qū)與柵相鄰。該npn雙極器件未耗盡基區(qū)寬度w會變窄，器件增益增加。3. MOS 柵控閘流管 高等半導(dǎo)體物理與器件高等半導(dǎo)體物理與器件當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓，n+發(fā)射區(qū)電子穿過耗盡區(qū)進(jìn)入n型漂移區(qū)，導(dǎo)致其電勢下降，進(jìn)一步正偏p+陽極與n型漂移結(jié)電壓，產(chǎn)生正反饋。導(dǎo)通柵電壓大約是MOS器件閾電壓。該器件優(yōu)點(diǎn)是控制極輸入阻抗高，相關(guān)大電流能轉(zhuǎn)換成很小容量的