第十五章半導(dǎo)體功率器件

第十五章半導(dǎo)體功率器件15.5功率MOSFET功率MOSFET的電流通常A，電壓50-100V。與功率BJT比，其優(yōu)點(diǎn)是柵極的控制電流很小。功率MOSFET是由并行運(yùn)行的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的。要達(dá)到大的閾值電壓，要采用垂直結(jié)構(gòu)，要得到大的電流，使溝道寬度非常寬。功率MOSFET有兩種基本結(jié)構(gòu)：DMOS和VMOS15.5.1功率晶體管的結(jié)構(gòu)雙擴(kuò)散DMOS晶體管的橫截面圖DMOS器件雙擴(kuò)散工藝：源區(qū)和襯底是通過(guò)柵的邊緣所確定的窗口進(jìn)行擴(kuò)散形成的。襯底和源區(qū)橫向擴(kuò)散距離的不同決定了表面的溝道長(zhǎng)度。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。垂直溝道VMOSVMOS是非平面結(jié)構(gòu)P襯底在整個(gè)表面形成，再進(jìn)行源區(qū)擴(kuò)散然后再通過(guò)延伸至n型漂移區(qū)做一個(gè)V型槽。柵氧化層生長(zhǎng)在V型槽上，再鍍金屬柵極。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(wàn)個(gè)圖15.22HEXFET結(jié)構(gòu)15.5.2功率MOSFET的特性

1.兩種功率MOSFET的特性參數(shù)2N67572N6792VDS（MAX）\V150400ID（MAX）\A82PD\W75202.導(dǎo)通電阻：功率MOSFET的漏源之間的有效電阻MOSFET工作在線性區(qū)的溝道電阻電流增大，溫度升高，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。因此在功率MOSFET中電流會(huì)均勻地分散到各個(gè)小單元中。圖15.23MOSFET的典型漏源電阻隨漏電流變化的特性曲線Figure15.153.功率MOSFET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圖15.25MOSEFET的安全工作區(qū)。（a）線性坐標(biāo)；（b）對(duì)數(shù)坐標(biāo)例15.2：在MOSFET反向器電路中找到最佳的漏電阻圖15.26MOSEFET反相器電路圖15.27例15.2中器件的安全工作區(qū)與負(fù)載線15.5.3寄生雙極晶體管功率晶體管在封裝時(shí)采用散熱片，多余的熱量可以及時(shí)排出?？紤]散熱片的影響時(shí)，引入熱阻（單位：C/W），通過(guò)元件的熱功率P器件中的最大安全功耗15.6半導(dǎo)體閘流管半導(dǎo)體閘流管：一系列半導(dǎo)體pnpn開(kāi)關(guān)型器件的名稱，這些器件有著雙穩(wěn)態(tài)正反饋開(kāi)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

正偏：正電壓加在陽(yáng)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(yáng)極上，J1和J3結(jié)反偏，同樣只有一個(gè)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Pnpn閘流管可以看作npn和pnp兩個(gè)晶體管的耦合對(duì)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)陽(yáng)極陰極CB結(jié)EB結(jié)EB結(jié)使閘流管處于導(dǎo)通狀態(tài)的方法：1.加足夠大的陽(yáng)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(shí)的pnpn器件器件處于大電流低阻抗態(tài)時(shí)pnpn結(jié)構(gòu)的結(jié)電壓雪崩擊穿產(chǎn)生的電子被掃進(jìn)n1區(qū)，使n1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(kāi)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。隨著陽(yáng)極電流IA增加，基極電流增益1和2增大，兩個(gè)等效的BJT被驅(qū)使進(jìn)入飽和狀態(tài)，J2結(jié)正偏。整個(gè)器件的總電壓很小。IA和VA的關(guān)系曲線如圖圖15.32pnpn器件的電流-電壓特性曲線反向阻斷反向阻斷正向?qū)?5.6.2SCR的觸發(fā)機(jī)理SCR：三電極的半導(dǎo)體閘流管，第三個(gè)電極用于施加?xùn)趴匦盘?hào)圖15.33（a）三極SCR；（b）三極SCR的雙晶體管等效電路圖15.34SCR的電流-電壓特性曲線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(shì)，同時(shí)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(huì)增加集電極電流IC2，而IC2的增加又會(huì)使pnp晶體管的效應(yīng)提高，于是整個(gè)pnpn器件從關(guān)態(tài)過(guò)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(jí)，即小電流就能開(kāi)啟SCR。開(kāi)啟后，柵電流可以關(guān)斷，但SCR仍處于導(dǎo)通狀態(tài)SCR在半波整流電路中的應(yīng)用圖15.35（a）簡(jiǎn)單的SCR電路；（b）輸入交流電壓信號(hào)和觸發(fā)脈沖；（c）輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系15.6.3SCR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(huì)使SCR從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài)15.5.4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250m，使J2結(jié)有相當(dāng)大的擊穿電壓圖15.36基本的SCR器件結(jié)構(gòu)雙邊對(duì)稱的閘流管反向并聯(lián)兩個(gè)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(gè)電極交替作為陽(yáng)極和陰極