现代功率模块及器件应用技术

文章摘要：1.3.1 功率MOSFET 由上述的原理可以导出如图8（a）所示的功率MOSFET的输出特性。1.3.1.1 正向截止状态 当外加一个正的漏源电压VDS时，若栅源电压VGS小于栅源开启电压VGS（th），则在漏源之间只有一个很小的漏电流IDSS在流动。当VDS增加时，IDSS也略有增加。当VDS超过某一特定的最高允许值VDSS时，pin结（p＋井区/n－漂移区/n＋外延生长层）会发生锁定现象（锁定电压V（BR）DSS）。这一锁定电压在物理上大致对应了MOSFET结构中的寄生npn双极晶体管的击穿电压VCER。该npn晶体管由n源区（发射极）－p＋井区（基极）－n－漂移区/n＋生长

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1.3.1 功率MOSFET

    由上述的原理可以导出如图8（a）所示的功率MOSFET的输出特性。

1.3.1.1 正向截止状态

    当外加一个正的漏源电压VDS时，若栅源电压VGS小于栅源开启电压VGS（th），则在漏源之间只有一个很小的漏电流IDSS在流动。当VDS增加时，IDSS也略有增加。当VDS超过某一特定的最高允许值VDSS时，pin结（p＋井区/n－漂移区/n＋外延生长层）会发生锁定现象（锁定电压V（BR）DSS）。这一锁定电压在物理上大致对应了MOSFET结构中的寄生npn双极晶体管的击穿电压VCER。该npn晶体管由n源区（发射极）－p＋井区（基极）－n－漂移区/n＋生长层（集电极）构成，如见图3所示。

    由集电极－基极二极管的锁定现象所引起的电流放大效应，可能会导致寄生双极晶体管的导通，从而导致MOSFET的损坏。

    值得庆幸的是，基极和发射极区几乎被源极的金属化结构所短路，在两区之间仅存在着p＋井区的横向电阻。

    应用各种设计措施，如精细的MOSFET单元、均匀的单元布置、低阻的p＋井区、优化的边缘结构以及严格统一的工艺，先进的MOSFET已经可以实现很小的单元锁定电流。这样一来，在严格遵守给定参数的情况下，寄生双极晶体管结构的导通现象基本上可以被防止。所以，对于这一类的MOSFET芯片，可以定义一个允许的锁定能量EA，分别针对单个脉冲以及周期性的负载（锁定能量由最高允许的芯片温度所限定）。

    在功率模块由多个MOSFET芯片并联而成的情况下，因为不可能取得芯片间绝对的均衡，所以仅允许使用单个芯片所能够保证的EA最大值。

1.3.1.2 导通状态

    在漏源电压VDS和漏极电流ID均为正的情况下，正向的导通状态可分为两个区域，如图8（a）中第一象限所示。

    1）主动区域 当栅源电压仅略大于栅极开启电压时，沟道内电流的饱和作用将产生一个可观的压降（输出特性的水平线）。此时，ID由VGS所控制。
    
    在图8（b）中，转移特性可以借助正向转移斜率gfs来描述。
    
    gfs=dID/dVGS=ID/（VGS－VGS（th））（4）
    
    在主动区域内，正向转移斜率随着ID和源极电压的增加而增加，并随芯片温度的增加而减小。
    
    因为，由多个MOSFET芯片并联而成的功率模块只允许在开关状态下工作，所以，主动区域只是在开通和关断过程中被经过。
    
    一般来说，制造商不允许此类模块在主动区域内稳定运行。原因是VGS（th）随温度的上升而下降，因此，单个芯片之间小小的制造偏差就有可能引起温升失衡。
    
    2）电阻性区域 在开关工作状态下，如果ID仅仅由外电路所决定，就处于被称为通态的阻性区域。此时的导通特性可以用通态电阻，即漏源电压VDS和漏极电流ID之商来描述。在大信号区域内，通态电压遵守式（5）关系。
    
    VDS（on）=RDS（on）ID（5）
    
    RDS（on）依赖于栅源电压VGS和芯片温度。在MOSFET通常的工作温度范围内，它从25℃～125℃时大约会增加一倍。

1.3.1.3 反向运行

    在反向运行时（第三象限），如果VGS小于VGS（th），则MOSFET会显示出二极管特性如图8（a）中的实线所示。这一特性由MOSFET结构中的寄生二极管所引起。集电极－基极的pn结或源漏pn结（反向二极管的双极型电流）的导通电压分别决定了MOSFET在反向时的导通特性如图9（a）所示。

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