功率场效应晶体管的工作特性

功率场效应晶体管

功率MOS场效应晶体管，即MOSFET，其原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率场效应晶体管的工作特性

1、静态特性

（1）漏极伏安特性

漏极伏安特性也称输出特性，如图2所示，可以分为三个区：可调电阻区Ⅰ，饱和区Ⅱ，击穿区Ⅲ。在Ⅰ区内，固定栅极电压UGS，漏源电压UDS从零上升过程中，漏极电流iD首先线性增长，接近饱和区时，iD变化减缓，而后开始进入饱和。达到饱和区Ⅱ后，此后虽UDS增大，但iD维持恒定。从这个区域中的曲线可以看出，在同样的漏源电压UDS下，UGS越高，因而漏极电流iD也大。当UDS过大时，元件会出现击穿现象，进入击穿区Ⅲ。

（2）转移特性

漏极电流ID与栅源极电压UGS反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图3所示。当ID较大时，该特性基本上为线性。曲线的斜率gｍ＝△ID/△UGS称为跨导，表示P-MOSFET栅源电压对漏极电流的控制能力，与GTR的电流增益β含义相似。图中所示的UGS（th）为开启电压，只有UGS》UGS（th）­时才会出现导电沟道，产生栅极电流ID。

2、开关特性

P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短，典型值为20ns，而影响开关速度的主要是器件极间电容。图4为元件极间电容的等效电路，从中可以求得器件输入电容为Cin＝CGS＋CGD。正是Cin在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。

P-MOSFET的开关过程如图5所示，其中UP为驱动电源信号，UGS为栅极电压，iD为漏极电流。当UP信号到来时，输入电容Cin有一充电过程，使栅极电压UGS只能按指数规律上升。P-MOSFET的开通时间为ton＝td（on）＋tr。当UP信号下降为零后，栅极输入电容Ｃin上贮存的电荷将通过信号源进行放电，使栅极电压UGS按指数下降，到UP结束后的td（off）时刻，iD电流才开始减小，故td（off）称为关断延迟时间。P-MOSFET的关断时间应为toff＝td（off）＋tf。

功率场效应管与双极型功率晶体管特性比较

1、驱动方式：场效应管是电压驱动，电路设计比较简单，驱动功率小；功率晶体管是电流驱动，设计较复杂，驱动条件选择困难，驱动条件会影响开关速度。

2、开关速度：场效应管无少数载流子存储效应，温度影响小，开关工作频率可达150KHz以上；功率晶体管有少数载流子存储时间限制其开关速度，工作频率一般不超过50KHz。

3、安全工作区：功率场效应管无二次击穿，安全工作区宽；功率晶体管存在二次击穿现象，限制了安全工作区。

4、导体电压：功率场效应管属于高电压型，导通电压较高，有正温度系数；功率晶体管无论耐电压的高低，导体电压均较低，具有负温度系数。

5、峰值电流：功率场效应管在开关电源中用做开关时，在启动和稳态工作时，峰值电流较低；而功率晶体管在启动和稳态工作时，峰值电流较高。

6、产品成本：功率场效应管的成本略高；功率晶体管的成本稍低。

7、热击穿效应：功率场效应管无热击穿效应；功率晶体管有热击穿效应。

8、开关损耗：场效应管的开关损耗很小；功率晶体管的开关损耗比较大。