功率场效应晶体管(MOSFET)原理
功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理
电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数
Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。{{分页}}
1、静态特性
（1）输出特性
输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2(b)所示。由图所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流I D不随漏源电压U DS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地U CS 一定时，I D随U DS增加呈线性关系变化。
（2）转移特性
转移特性表示漏极电流I D与栅源之间电压U GS的转移特性关系曲线，如图2(a)所示。转移特性可表示出器件的放大能力，并且是与GTR中的电流增益β相似。由于Power MOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为
（1）
图中U T为开启电压，只有当U GS=U T时才会出现导电沟道，产生漏极电流I D。2、主要参数
（1）漏极击穿电压BU D
BU D是不使器件击穿的极限参数，它大于漏极电压额定值。BU D随结温的升高而升高，这点正好与GTR和GTO相反。
（2）漏极额定电压U D
U D是器件的标称额定值。
（3）漏极电流I D和I DM
I D是漏极直流电流的额定参数；I DM是漏极脉冲电流幅值。
（4）栅极开启电压U T
U T又称阀值电压，是开通Power MOSFET的栅-源电压，它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。施加的栅源电压不能太大，否则将击穿器件。
（5）跨导g m
g m是表征Power MOSFET 栅极控制能力的参数。{{分页}}
三、电力场效应管的动态特性和主要参数
1、动态特性
动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系，它影响器件的开关过程。由于该器件为单极型，靠多数载流子导电，因此开关速度快、时间短，一般在纳秒数量级。Power MOSFET的动态特性。如图3所示。
Power MOSFET 的动态特性用图3(a)电路测试。图中，u p为矩形脉冲电压信号源；R S为信号源内阻；R G为栅极电阻；R L为漏极负载电阻；R F用以检测漏极电流。
Power MOSFET 的开关过程波形，如图3(b)所示。
Power MOSFET 的开通过程：由于Power MOSFET 有输入电容，因此当脉冲电压u p的上升沿到来时，输入电容有一个充电过程，栅极电压u GS按指数曲线上升。当u GS上升到开启电压U T时，开始形成导电沟道并出现漏极电流i D。从u p前沿时刻到u GS=U T，且开始出现i D的时刻，这段时间称为开通延时时间t d(on)。此后，i D随u GS的上升而上升，u GS从开启电压U T上升到Power MOSFET临近饱和区的栅极电压u GSP 这段时间，称为上升时间t r。这样Power MOSFET的开通时间
t on=t d(on)+t r(2)
Power MOSFET的关断过程：当u p信号电压下降到0时，栅极输入电容上储存的电荷通过电阻R S和R G放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到u GSP继续下降，
i D才开始减小，这段时间称为关断延时时间t d(off)。此后，输入电容继续放电，u GS继续下降，i D也继续下降，到u GS< SPAN>T时导电沟道消失，i D=0，这段时间称为下降时间t f。这样Power MOSFET 的关断时间
t off=t d(off)+t f (3)
从上述分析可知，要提高器件的开关速度，则必须减小开关时间。在输入电容一定的情况下，可以通过降低驱动电路的内阻R S来加快开关速度。
电力场效应管晶体管是压控器件，在静态时几乎不输入电流。但在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要一定的驱动功率。工作速度越快，需要的驱动功率越大。{{分页}}
2、动态参数
（1）极间电容
Power MOSFET的3个极之间分别存在极间电容C GS，C GD，C DS。通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容C iSS、共源极输出电容C oSS、反向转移电容C rSS。它们之间的关系为
C iSS=C GS+C G
D (4)
C oSS=C GD+C DS (5)
C rSS=C GD(6)
前面提到的输入电容可近似地用C iSS来代替。
（2）漏源电压上升率
器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的du/dt可能导致电路性能变差，甚至引起器件损坏。
1、正向偏置安全工作区
正向偏置安全工作区，如图4所示。它是由最大漏源电压极限线I、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和最大功耗限制线Ⅳ，4条边界极限所包围的区域。图中示出了4种情况：直流DC，脉宽10ms，1ms,10μs。它与GTR安全工作区比有2个明显的区别：①因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率P SB限制线；②因为它通态电阻较大，导通功耗也较大，所以不仅受最大漏极电流的限制，而且还受通态电阻的限制。
2、开关安全工作区
开关安全工作区为器件工作的极限范围，如图5所示。它是由最大峰值电流I DM、最小漏极击穿电压BU DS和最大结温T JM决定的，超出该区域，器件将损坏。
3、转换安全工作区
因电力场效应管工作频率高，经常处于转换过程中，而器件中又存在寄生等效二极管，它影响到管子的转换问题。为限制寄生二极管的反向恢复电荷的数值，有时还需定义转换安全工作区。
器件在实际应用中，安全工作区应留有一定的富裕度。
1、电力场效应管的驱动电路
电力场效应管是单极型压控器件，开关速度快。但存在极间电容，器件功率越大，极间电容也越大。为提高其开关速度，要求驱动电路必须有足够高的输出电压、较高的电压上升率、较小的输出电阻。另外，还需要一定的栅极驱动电流。
开通时，栅极电流可由下式计算：
I Gon=C iSS u GS/tr=(G GS+C GD)u GS/ t r(7)
关断时，栅极电流由下式计算：
I Goff=C GD u DS/t f(8)
式（7）是选取开通驱动元件的主要依据，式（8）是选取关断驱动元件的主要依据。
为了满足对电力场效应管驱动信号的要求，一般采用双电源供电，其输出与器件之间可采用直接耦合或隔离器耦合。
电力场效应管的一种分立元件驱电路，如图6所示。电路由输入光电隔离和信号放大两部分组成。当输入信号u i为0时，光电耦合器截止，运算放大器A输出低电平，三极管V3导通，驱动电路约输出负20V驱动电压，使电力场效应管关断。当输入信号u i为正时，光耦导通，运放A输出高电平，三极管V2导通，驱动电路约输出正20V电压，使电力场效应管开通。{{分页}}
MOSFET的集成驱动电路种类很多，下面简单介绍其中几种：
IR2130是美国生产的28引脚集成驱动电路，可以驱动电压不高于600V电路中的MOSFET，内含过电流、过电压和欠电压等保护，输出可以直接驱动6个MOSFET 或IGBT。单电源供电，最大20V。广泛应用于三相MOSFET和IGBT的逆变器控制中。
IR2237/2137是美国生产的集成驱动电路，可以驱动600V及1200V线路的MOSFET。其保护性能和抑制电磁干扰能力更强，并具有软启动功能，采用三相栅极驱动器集成电路，能在线间短路及接地故障时，利用软停机功能抑制短路造成过高峰值电压。利用非饱和检测技术，可以感应出高端MOSFET和IGBT的短路状态。此外，内部的软停机功能，经过三相同步处理，即使发生因短路引起的快速电流断开现象，也不会出现过高的瞬变浪涌过电压，同时配有多种集成电路保护功能。当发生故障时，可以输出故障信号。
TLP250是日本生产的双列直插8引脚集成驱动电路，内含一个光发射二极管和一个集成光探测器，具有输入、输出隔离，开关时间短，输入电流小、输出电流大等特点。适用于驱动MOSFET或IGBT。
2、电力场效应管的保护措施
电力场效应管的绝缘层易被击穿是它的致命弱点，栅源电压一般不得超过±20V。因此，在应用时必须采用相应的保护措施。通常有以下几种：
（1）防静电击穿
电力场效应管最大的优点是有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合易被静电击穿。为此，应注意：
①储存时，应放在具有屏蔽性能的容器中，取用时工作人员要通过腕带良好接地；
②在器件接入电路时，工作台和烙铁必须良好接地，且烙铁断电焊接；
③测试器件时，仪器和工作台都必须良好接地。
（2）防偶然性震荡损坏
当输入电路某些参数不合适时，可能引志震荡而造成器件损坏。为此，可在栅极输入电路中串入电阻。
（3）防栅极过电压
可在栅源之间并联电阻或约20V的稳压二极管。
（4）防漏极过电流
由于过载或短路都会引起过大的电流冲击，超过I DM极限值，此时必须采用快速保护电路使用器件迅速断开主回路。
电动自行车控制器MOSFET驱动电路的设计
1、概述
电动自行车具有环保节能，价格合适，无噪声，便利等特点，因此，电动自行车成为当今社会人们主要的代步工具。与此同时，消费者和商家对整车的质量及可靠性要求也越来越高，作为整车四大件之一的电动车控制器的可靠性显得尤为重要。功率MOSFET以及相关的驱动电路的设计直接与控制器的可靠性紧密相关，尤其是在续流侧方面，MOSFET的驱动电路设计不当，续流侧MOSFET很容易
损坏，因此本文就如何测量、分析与调整控制器的MOSFET驱动线路来提高MOSFET的可靠性作一些研究，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。 2、MOSFET开关过程及MOSFET参数模型
.1 MOSFET开通过程中的波形见图1所示，其开通的过程可分为四个阶段：阶段A、t0—t1：门极电压Vgs由0V逐渐上升至Vth，在此期间内MOSFET关闭，Vds不变，Id=0A。
阶段B、t1—t2：门极电压Vgs由Vth上升至平台电压Vp，门极电压为Cgs充电。在此期间内MOSFET开始导通并进入饱和状态，Vds基本保持不变，Id由0上升至Id（max）。
阶段C、t2—t3：门极电压Vgs保持不变，门极电压为Cgd充电。在此期间内MOSFET仍处于饱和状态，Vds迅速下降，Id保持不变。
阶段D、t3—t4：门极电压Vgs由Vp继续上升，在此期间内MOSFET退出饱和状态进入完全导通状态。MOSFET关断时波形与开时
再相反，在此不赘述。
2.2 MOSFET寄生参数模型如图2所示。
由于MOSFET的结构、引线和封装的影响，在MOSFET制作完成后，其各引脚间存在PN结寄生电容和寄生电感，引脚上存在引线电感。由于源极的引线较长，Ls一般要比Ld大。右图为简化的MOSFET参数模型。因此，我们在实际的开关应用中应特别注意寄生电容和引线电感对开关波形的影响，特别是在负载为电感性负载时更应注意。MOSFET的输入电容、反向传输电容和输出电容分别表示如下：
Ciss=Cgs+Cgd
Crss=Cgd
Coss=Cgd+Cds3、两种常见的MOSFET驱动电路
3.1 由分立器件组成的驱动电路（如图3所示），驱动电路A．当HS为高电平时，Q7、Q4导通，Q6关闭，电容C4上的电压（约14V）经过Q4、D3、R6加到Q5的栅极，使Q5导通。在导通期间，Q5的源极电压（Phase）接近电源电压Vdc，所以电容两端的电压随着Phase电压一起浮动，电容C4亦称为自举电容。Q5靠C4两端的电压来维持导通。
B.当HS为低电平时，Q7、Q4关闭，Q6导通，为Q5的栅极提供放电回路，从而使Q5很快关闭。当Q5关闭后，由于下管的开通或负载的作用，使得Phase 电压下降接近0V，从而使C4经过+15V→D2→C4→GND回路充电，为下一次导通做好准备。
C.当LS为低电平时，Q8、Q11导通，Q10关闭，驱动电路通过R11为下管Q9的栅极充电，使Q9导通。
D.当LS为高电平时，Q8、Q11关闭，Q10导通，为Q9的栅极提供放电回路,使Q9关断。
E.当HS和LS同时为高电平时，上管开通下管关闭。当HS和LS同时为低电平时，上管关闭下管开通。在实际应用中，为了避免上下管同时开通，HS和LS 的逻辑要靠MCU或逻辑电路来保证2 半桥驱动芯片组成的驱动电路如图4所示，工作原理如下：A．当HS和LS同时为高电平时，HO有驱动电压输出，使Q1开通。当HS和LS同时为低电平时，LO有驱动电压输出，使Q2开通。B．电容C2与分立器件驱动电路里的C4作用相同，同样为自举电容。
C．电容C1为去藕电容，为抑制功率MOSFET开关时对驱动电路浮动电源部分的干扰，一般应加上此电容。
3.3 两种驱动线路的区别：
A．两种驱动电路在开通时能提供基本相同的驱动电流驱动MOSFET开通，但在MOSFET关断时，分立器件驱动电路因为有三极管放电，所以能提供更大的放电电流关闭MOSFET，而半桥驱动电路由于要经过栅极电阻放电，所以放电电流相对较小，导致MOSFET关闭时间过长，开关损耗相应增加。解决的办法可以是在驱动电阻上反并联一只二极管并增加一个放电的PNP三极管。
B．分立器件驱动电路用的器件较多，可靠性相对没有半桥芯片的驱动电路高。但前提条件是半桥驱动芯片的驱动电路要设计合理。4、MOSFET驱动线路的要求及参数的调整
4.1 门极电压不能超过Vgs的最大值。在设计驱动线路时，应考虑驱动电源电压和线路的抗干扰性，确保MOSFET在带感性负载且工作在开关状态时栅极电压不超过Vgs的最大值。
4.2 为了能够减少MOSFET的开关损耗，驱动线路应能提供足够大的驱动电流，使开通和关断的时间尽可能短，同时，尽量减少门极电压的高频震荡。如果要获得同样的RC时间常数，使用较小的驱动电阻和较大的电容可以获得较好的驱动特性，但驱动线路的损耗同时也增加了。
图5和图6是实际应用中的测试波形，从图中我们可以看出：①电容的增加使得开启的时间变长，增加了开通损耗。②电容的增加，使得门极电压的高频震荡减少。同时，由于米勒平台的振荡减小，MOSFET在米勒平台期间的损耗也会相应
4.3 延长MOSFET的开通时间可以减小开通时的涌入电流。由于电机负载为感性负载，所以在PWM关断时存在续流现象（见图7中的I2），为了减小续流侧反向恢复电流（Irr）的大小，PWM侧开关管的开通速度不宜过快。由于MOSFET 处于饱和区时有公式：Id=K*(Vgs-Vth)2,（K为一常数，由MOSFET的特性决定）。所以在一定的温度和Vds条件下，从MOSFET的门极驱动电压Vgs可以判断MOSFET中的电流大小。图5中Vgs峰值为9.1V，图6中Vgs峰值为6.4V，所以增加电容使得峰值电流减小。Id也可从MOSFET的转移特性图中获得。4.4 由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在，在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时，MOSFET（Q3）上
的电压Vds会出现振铃（如图8中CH2所示）。此振铃的出现会导致Vds超过MOSFET的击穿电压从而发生雪崩现象。如果线路中出现振铃，我们可以通过以下方法来减小振铃：A．设计线路时应考虑线路板布线：①尽量缩短驱动线路与MOSFET之间的线迹长度；②使大电流回路的铜箔走线尽量短且宽，必要时可以在铜箔表面加锡；③合理的走线，使大电流环路的面积最小。
B．如果线路杂散电感已经确定，可以通过减小PWM侧的MOSFET开通速度来减小在续流侧的MOSFET上的Vds振铃，从而能够使MOSFET上的Vds不超过最大耐压值。
C．如果以上两种方法都不能很好地解决问题，我们可以通过在相线上加snubber 的方法来抑制线路的振铃。
4.5 注意Cdv/dt产生的栅极感应电压。
如图7所示：在控制MOSFETQ1的导通开关期间，因为Q1的米勒效应和导通延迟的缘故，满输入电压并不会立刻出现在Q3的漏极上。施加在Q3上的漏极电压会感应出一个通过其栅——漏极间米勒电容Cgd（见图2）进行耦合的电流。该感应电流在Q3的内部栅极电阻Rg和外部栅极电阻的两端产生一个压降。该电压将对Q3栅极上的栅——源极间电容Cgs进行充电。Q3上的感应栅极电压的幅度是dv/dt、Cgd、Cgs和总栅极电阻的一个函数。感应栅极电压如图8中的CH1所示，其值已达到2.3V。另外，由于源极引线电感的存在，在Q3内的电流迅速减小时，会在Ls的两端感应出一个极性为上负下正的电压，如图9所示，此时加在DIE上的电压Vgs（die）要大于在外部引脚上测量的Vgs电压，所以由于Ls的影响，使得MOSFET有提前导通的可能。如果下管由于感应电压而导通，则会造成上下管穿通，如果MOSFET不能承受此穿通电流，MOSFET 就会损坏。
4.5.1 防止产生Cdv/dt感应导通的方法：
A．选择具有较高门限电压的MOSFET。
B．选择具有较小米勒电容Cgd和较小Cgd/Cgs的MOSFET。
C．使上桥（Q1）的开启速度变慢，从而减小关断时的dv/dt和di/dt，使感应电压Cdv/dt和Lsdi/dt减小。
D．增加Q3的栅极电容Cgs，从而减小感应电压。
4.5.2 保留Cdv/dt感应导通的好处Cdv/dt感应导通有一个好处：它能够减小续流侧MOSFET上的电压尖峰和Vds振铃（V=L×dIrr/dt；L：环路寄生电感），同时也减小了系统的EMI干扰。因此，在设计MOSFET驱动线路时，我们应根据实际情况来权衡驱动参数的调整，即究竟是阻止Cdv/dt感应导通以求最大限度地提升电路效率和可靠性还是采用Cdv/dt感应导通来抑制过多的寄生振铃。
5、结论
A．在开始设计之前，应该全面了解所选MOSFET的参数，判断MOSFET是否能满足产品要求，包括MOSFET的耐压（Vgs和Vds）、最大电流等参数，确保当工作条件最恶劣时这些参数不要超过MOSFET的最大额定值。
B．在线路设计阶段，必须进行热设计，以确保MOSFET工作在安全工作区。应特别注意线路板的布线，尽量减小线路杂散电感。
C．在不影响可靠性的情况下尽量缩短开关时间，将开关损耗降到最低。有时为了进一步提高效率，降低温升，还可采用同步整流。
、电动车控制器的实现方式与组成部分：目前电动自行车用控制器，不管有刷无刷，普遍采用PWM调速方式。电动车控制器内部必须要有PWM发生器电路，还要有电源电路，功率器件，功率器件驱动电路，控制器件驱动电路，控制部件（转把、闸把、电机霍耳等）信号采集单元与处理电路，过流与欠压等保护电路。
2、影响电动车控制器可靠性的因素：控制器的失效，从表现形式来看，一般有以下几种：
1）、功率器件损坏；
2）、电动自行车电机技术控制器内部供电电源损坏；
3）、电动车控制器工作时断时续；
4）、连接线磨损及接插件接触不良或脱落引起控制信号丢失。针对以上失效形式的起因分析如下： A、功率器件的损坏，一般有以下几种可能：电动自行车电机技术电机损坏引起的；功率器件本身的质量差或选用等级不够引起的；器件安装或振动松动引起的；电机过载引起的；功率器件驱动电路损坏或参数设计不合理引起的。B、控制器内部电源的损坏，一般有以下几种可能：控制器内部电路短路；外围控制部件短路；外部引线短路。C、电动自行车电机技术控制器工作起来时断时续，一般有以下几种可能：器件本身在高温或低温环境下参数漂移；控制器总体设计功耗大导致某些器件局部温度过高而使器件本身进入保护状态；接触不良。D、连接线磨损及接插件接触不良或脱落，一般有以下几种可能：线材选择不合理；对线材的保护不完备；接插件的选型不好；线束与接插件的压接不牢。3、提高控制器的可靠性的方案：了解电动车控制系统可能发生故障点以后，有针对性的可靠性设计就有了目标。A、首先是功率器件的型号，品牌，产地与供应商的选择，然后对功率器件的筛选，以上两点是提高功率器件可靠性前提。在此基础上，对功率器件安装工艺的设计和对功率器件驱动电路的设计才有意义。对无刷电机控制器而言，一般上三路功率管的驱动比较复杂，目前大多数厂家采用专用驱动芯片驱动。专用驱动芯片的不足之处是价格较高，内部的变电路采用了有源电路，转换效率偏低，其主要的应用场合是在周围电路完全没有交流电存在情况下，利用其内部电路完成变频、升压与整流。B、对于电动自行车电机技术控制器的内部电源，为了防止电动车控制器内部或外部短路对电源的损坏，同时也是出于对电动自行车电机技术电源自身的保护，可以把电源设计成独立供电方式，这样既可以防止局部电路（转把，闸把、电机传感器等）发生短路而烧坏控制器，又可以防止电源电压异常升高而击穿外部器件。基于以
上考虑，可以采用DC——DC模块的负载能力强，自身的功率损耗相当低（不到0.1W），这在提高控制器的整体效率，降低控制器的运行温度方面有着线形稳压器无可比拟的优点。C、要克服电动车控制器对温度的敏感，第一是选择温度系数好的元器件，第二是从设计上降低各模块电路的功率消耗，第三是尽量减少无用功消耗，第四是充分考虑到控制器的散热。如果采用无功率消耗的功率管驱动方案，加上高效率的DC—DC电源模块，可以将控制器工作电流降低到30mA以下。在这里需要解释一下的是，在电动车控制器里，用于采样电流信号的阻值大功率电阻器件属于控制的功率器件之一，电流采样电阻的功率消耗属于无用消耗，应该算控制器功率损耗的一部分，要减小控制器的功耗，降低控制器的运行温度，可以利用电机的转整与电机电流的绝对对应关系，通过检测电动自行车电机技术电机转动转速来检测电机电流，从而达到控制电流的目的。D、由于电动车电气系统信号的传输是用连接线束来完成的，出于提高电动车整车的可靠性和提高控制器本身的可靠性出发，对电动车连接线束与接插件的要求是：边接可靠，防水，防尘，抗震，防氧化，防磨损。基于以上要求，电动车边接线束与接插件要有完备的防护套，接插件一定要达到汽车级的接插要求，因为电动车的使用环境从某种意义上讲，比汽车的使用环境还要恶劣。4、对于无刷电机控制器，由于输入控制变量与控制器使用功率器件比较多，控制器可以利用各种输入信号对控制系统完成相当完善的与想当灵活的保护，这些保护功能可以有：过流保护、减流保护、低电流过载保护，电机换相信号错误保护以及在没有过流的情况下电机堵转直接保护等。电动车无刷控制器通过直接读取各种控制信号，进行实时处理或保护，这种方法就可以大大提高无刷控制器的设计可靠性。
集成电路分析与设计 课程实验1（2010-03-18） 熟悉Cadence设计软件中的Schematic Editing进行原理图编辑，并使用Spectre工具进行仿真验证。 要求及说明： 1. NMOS和PMOS晶体管的1级模型参数参考教材(拉扎维，P32)中表 2.1，相应的Spectre 模型为hquicmodel_v1.0.scs。 2. 假设VDD=3V，NMOS和PMOS器件的衬底端子（B，除非另有说明）分别接地和VDD （或最正的电压节点），（W/L）=50/2（即W=50u，L=2u）。 3. 采用直流扫描（DC Sweep，改变VX），画出IX和晶体管的跨导关于VX的函数曲线图。 4. 解释分析结果，比较仿真分析结果与你的手工计算结果。 5. 报告截止提交日期为2008年3月25日。 题目： （参考拉扎维的模拟CMOS集成电路设计P34-35） 2.5 对图2.42的每个电路，画出I X 和晶体管跨导(g m )关于V X 的函数曲线。V X 从0变化到V DD 。 +1.9V x V (b) 1V x V 2.42 图 2.6 对图2.43的每个电路，画出I X 和晶体管跨导(g m )关于V X 的函数曲线。V X 从0变化到V DD 。
I 原理图绘制篇 1.右键open Terminal 2.输入icfb&
3.回车启动Cadence 4.Tools – Library Manager…
5.File-Library新建项目 6.输入建立的项目的名称-OK
7.选择Don’t need a Techfile-OK 8. File-Cell View新建项目
功率场效应晶体管(MOSFET)原理 功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。 一、电力场效应管的结构和工作原理 电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。 电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。 电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。 二、电力场效应管的静态特性和主要参数 Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。{{分页}} 1、静态特性 （1）输出特性 输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2(b)所示。由图所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流I D不随漏源电压U DS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地U CS 一定时，I D随U DS增加呈线性关系变化。 （2）转移特性
场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的 输入电阻可高达1015W而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS t,按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽 型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区, 并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖 一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G 另外在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS f。它的栅极与其他电 极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 源极s tiffiG m 引纯 ? N旳道增强型场效应管紡拘示胃图低州沟道壇强型场效应管符号 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图6-39(a) 可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0寸，即使加上漏-源电压UDS而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于 反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID - 0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS> 0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同 时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子 就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层， 且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称 为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫JFET，只有耗尽型。 这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压U Ds，就有电流流过，I D将随U DS的增大而增大。如果给管子加上负偏差U GS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D是最大的。 特点：1，GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2：DS也是导通特性，阻抗比较大 3：GS工作在反向偏置的状态。 4：DS极完全对称，可以反用，即D当做S，S当做D。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。
三极管的工作原理集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#
项目一三极管的工作原理 三极管，全称应为半导体三极管，也称晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器·件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN 和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。下图是各种常用三极管的实物图和符号。 一、三极管的电流放大作用 下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。 二、三极管的偏置电路 三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取）。当基极与发射极之间的电压小于时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基 极上加上一个 合适的电流 （叫做偏置电 流，上图中那 个电阻Rb就 是用来提供这 个电流的，所 以它被叫做基 极偏置电 阻），那么当 一个小信号跟 这个偏置电流 叠加在一起 时，小信号就
VDMOS功率晶体管的版图设计 系 专业姓名 班级学号 指导教师职称 指导教师职称 设计时间2012.9.15－2013.1.4
摘要 VDMOS 是微电子技术和电力电子技术融和起来的新一代功率半导体器件。因具有开关速度快、输入阻抗高、负温度系数、低驱动功率、制造工艺简单等一系列优点，在电力电子领域得到了广泛的应用。目前，国际上已形成规模化生产，而我国在VDMOS 设计领域则处于起步阶段。 本文首先阐述了VDMOS 器件的基本结构和工作原理，描述和分析了器件设计中各种电性能参数和结构参数之间的关系。通过理论上的经典公式来确定VDMOS 的外延参数、单胞尺寸和单胞数量、终端等纵向和横向结构参数的理想值。根据结构参数，利用L-edit版图绘制软件分别完成了能够用于实际生产的60V、100V、500V VDMOS 器件的版图设计。在此基础之上确定了器件的制作工艺流程，并对工艺流水中出现的问题进行了分析。最后，总结全文，提出下一步研究工作的方向。 关键词：，功率半导体器件，版图设计，原胞，击穿电压
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第1章绪论 电力电子系统是空间电子系统和核电子系统的心脏，功率电子技术是所有电力电子系统的基础。VDMOSFET 是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提供所需形式的电源以及为电机设备提供驱动。几乎大部分电子设备和电机设备都需用到功率VDMOS 器件。VDMOS 器件具有不能被横向导电器件所替代的优良性能，包括高耐压、低导通电阻、大功率和可靠性等。 半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，也称为电力电子开关器件。它是用来进行高效电能形态变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域，而半导体功率器件的可控制特性决定了电力电子系统的效率、体积和重量。实践证明，半导体功率器件的发展是电力电子系统技术更新的关键。通常，半导体功率器件是一种三端子器件，通过施加于控制端子上的控制信号，控制另两个端子处于电压阻断（器件截至）或电流导通（器件导通）状态。20 世纪50 年代初，世界上第一只可控性半导体器件双极结型晶体管（BJT）诞生，从那时起，BJT 开始广泛应用于各类电子系统中，并促使人类真正进入大功率电能转换的时代。 实际上大容量电功率概念与半导体器件技术相结合的研究开发从50 年代就已经开始。1958 年世界上第一只晶闸管（早期称为可控硅整流管，300V/25A）研制成功，使半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率（高电压、大电流）电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出双极型大功率晶体管，开关速度更高的单极MOS 场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入90 年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路已经形成，产品性能和技术参数正不断改进和完善。电力电子技术的不断发展及广泛应用将反过来又促进现代功率半导体器件制造技术的成熟与发展。 20 世纪70 年代末，随着MOS 集成电路的发展，诞生了MOS 型半导体功率功率VDMOS 器件结构与优化设计研究器件。MOSFET 不仅是微电子学的重要器件，有
场效应管工作原理 MOS场效应管电源开关电路。 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP 型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在
场效应管工作原理
场效应管工作原理 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D
功率场效应管的原理、特点及参数 功率场效应管的原理、特点及参数 功率场效应管又叫功率场控晶体管。 一．功率场效应管原理：半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感 兴趣的同事可以查阅。实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指 后者中的MOS 管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。它又分为N 沟道、P 沟道两种。器件符号如下： N 沟道P 沟道图1-3：MOSFET 的图形符号MOS 器件的电极分别为栅极G、漏极D、源极S。和普通MOS 管一样，它也有：耗尽型：栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论VGS 正负都起控制作用。增强型：需要正偏置栅极电 压，才生成导电沟道。达到饱和前，VGS 正偏越大，IDS 越大。一般使用的功 率MOSFET 多数是N 沟道增强型。而且不同于一般小功率MOS 管的横向导电 结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫VMOSFET。 二．功率场效应管的特点：这种器件的特点是输入绝缘电阻大（1 万兆欧以上），栅极电流基本为零。驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时， 导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。适合低压 100V 以下，是比较理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A 左右（参考）。 其速度可以达到几百KHz，使用谐振技术可以达到兆级。 三．功率场效应管的参数与器件特性：无载流子注入，速度取决于器件的电 容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。（1）转移特性：ID 随UGS 变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着UGS 的上升，跨导 将越来越高。
第二章 PN结 填空题 1、若某硅突变PN结的P型区的掺杂浓度为N A=1.5×1016cm-3，则室温下该区的平衡多子浓度p p0与平衡少子浓度n p0分别为（）和（）。 2、在PN结的空间电荷区中，P区一侧带（）电荷，N区一侧带（）电荷。内建电场的方向是从（）区指向（）区。 3、当采用耗尽近似时，N型耗尽区中的泊松方程为（）。由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（）。 4、硅突变结内建电势V bi可表为（），在室温下的典型值为（）伏特。 5、当对PN结外加正向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。 6、当对PN结外加反向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。 7、在P型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度n p与外加电压V之间的关系可表示为（）。若硅P 型区的掺杂浓度N A=1.5×1017cm-3，外加电压V= 0.52V，则P型区与耗尽区边界上的少子浓度n p为（）。 8、当对PN结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）；当对PN结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）。 9、PN结的正向电流由（）电流、（）电流和（）电流三部分所组成。 10、PN结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（）；PN结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（）。 11、PN结扩散电流的表达式为（）。这个表达式在正向电压下可简化为（），在反向电压下可简化为（）。 12、在PN结的正向电流中，当电压较低时，以（）电流为主；当电压较高时，以（）电流为主。 13、薄基区二极管是指PN结的某一个或两个中性区的长度小于（）。在薄基区二极管中，少子浓度的分布近似为（）。 14、势垒电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。PN结的掺杂浓度越高，则势垒电容就越（）；外加反向电压越高，则势垒电容就越（）。 15、扩散电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。正向电流越大，则扩散电容就越（）；少子寿命越长，则扩散电容就越（）。 16、PN结的击穿有三种机理，它们分别是（）、（）和（）。 17、PN结的掺杂浓度越高，雪崩击穿电压就越（）；结深越浅，雪崩击穿电压就越（）。 18、雪崩击穿和齐纳击穿的条件分别是（）和（）。 19、PN结的低掺杂一侧浓度越高，则势垒区的长度就越（），内建电场的最大值就越（），内建电势V bi 就越（），反向饱和电流I0就越（），势垒电容C T就越（），雪崩击穿电压就越（）。 问答题 1、简要叙述PN结空间电荷区的形成过程。 2、什么叫耗尽近似？什么叫中性近似？ 3、PN结势垒区的宽度与哪些因素有关？ 4、写出PN结反向饱和电流I0的表达式，并对影响I0的各种因素进行讨论。 5、PN结的正向电流由正向扩散电流和势垒区复合电流组成。试分别说明这两种电流随外加正向电压的增加而变化的规律。当正向电压较小时以什么电流为主？当正向电压较大时以什么电流为主？ 第三章双极结型晶体管 填空题 1、晶体管的基区输运系数是指（）电流与（）电流之比。为了提高基区输运系数，应当使基区宽度（）基区少子扩散长度。 2、晶体管中的少子在渡越（）的过程中会发生（），从而使到达集电结的少子比从发射结注入基区的少子（）。 3、晶体管的注入效率是指（）电流与（）电流之比。为了提高注入效率，应当使（）区掺杂浓度远大于（）区掺杂浓度。
摘要：首先从器件性能和成本等方面分析了为何GaN功率器件是未来功率电子应用的首选技术方案，GaN功率器件具有无可比拟的性能优势，通过采用价格低且口径大的Si衬底，有望实现与硅功率器件相当的价格。其次，简要介绍了GaN功率器件的市场和行业发展现状，市场空间很大，除了专注GaN的新进公司外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷涉足。随后，从材料、器件技术、功率集成技术和可靠性四个方面分别简要介绍了GaN功率器件的技术发展现状。最后，简要列举了部分企业推出GaN功率器件产品的现状。 1 引言 近年来GaN功率器件已经成为了学术界和工业界共同关注和着力研发的热点，特别是Si基GaN功率器件已成为GaN在未来功率电子应用中的首选技术方案，原因如下： 从理论上来讲，与硅类功率器件的性能相比，GaN功率器件的性能具有十分明显的优势。首先，转换效率很高，GaN的禁带宽度是硅的3倍，临界击穿电场是硅10倍，因此，同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右，大大降低了开关的导通损耗;其次，工作频率很高，GaN的电子渡越时间比硅低10倍，电子速度比在硅中高2倍以上，反向恢复时间基本可以忽略，因此GaN开关功率器件的工作频率可以比硅器件提升至少20倍，大大减小了电路中储能元件如电容、电感的体积，从而成倍地减小设备体积，减少铜等贵重原材料消耗，开关频率高还能减少开关损耗，进一步降低电源总的能耗;第三，工作温度很高，GaN的禁带宽度高达3.4eV，本征电子浓度极低，电子很难被激发，因此理论上GaN器件可以工作在800℃以上的高温。 除了上述的GaN功率器件本身的性能优势外，还有如下原因：首先，Si的价格低，具有明显的价格优势;其次，通过外延技术可在更大尺寸的Si 衬底上得到GaN外延片，为GaN 功率器件的产业化与商业化提供了更大的成本优势;第三，大尺寸的GaN-on-Si晶圆可使用已有的成熟的Si 工艺技术和设备，实现大批量的低成本的GaN器件制造;最后，Si基GaN 器件可与Si基的光电器件和数控电路等集成，利于形成直接面对终端应用的功能性模块。 2 市场和行业发展现状 据YoleDeveloppement的报告“Power GaN 2012” [1]，GaN功率器件有巨大的市场空间，2011年半导体功率器件市场空间约为177亿，预计到2020年该市场空间会增加8.1%，达到357亿。应用GaN功率器件的电源市场可能在2014年启动，然后迎来一个高速发展期，到2020年，不含国防预算有望实现20亿美元的销售。 目前，50%功率器件的生产线是6英寸的，很多工厂正在转投8英寸生产线，2011年Infineon成为第一家引进12英寸生产线的工厂。GaN功率器件也进入了发展期，除了专注GaN的新进公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷介入GaN功率器件，有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有曾做化合物半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。对于GaN功率器件供应商，IDM已成主流业态，如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企业。目前，对GaN功率器件企业的投资额还在不断增长，2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展8寸GaN-on-Si 外延片，同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN功率器件，今年5月UK政府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。
2.4 放大电路的组成及工作原理 参考教材：《模拟电子技术基础》孙小子张企民主编西安：西安电子科技大学出版社 一、教学目标及要求 1、通过本次课的教学，使学生了解晶体管组成的基本放大电路的三种类型， 掌握放大电路的组成元器件及各元器件的作用，理解放大电路的工作原理。 2、通过本节课的学习，培养学生定性分析学习意识，使学生掌握理论结合生 活实际的分析能力。 二、教学重点 1、共发射极放大电路的组成元器件及各元器件作用； 2、共发射极放大电路的工作原理。 三、教学难点 1、共发射极放大电路的组成元器件及各元器件作用； 2、共发射极放大电路的工作原理。 四、教学方法及学时 1、讲授法 2、1个学时 五、教学过程 （一）导入新课 同学们，上节课我们已经学习了晶体管内部载流子运动的特性以及由此引起的晶体管的一些外部特性，比如说晶体管的输入输出特性等，在这里，我要强调一下，我们需要把更多的注意力放在关注晶体管的外部特性上，而没有必要细究内部载流子的特点。由晶体管的输出特性，我们知道，当晶体管的外部工作条件不同时，晶体管可以工作在三个不同的区间。分别为：放大区、截止区、饱和区，其中放大区是我们日常生活中较为常用的一种工作区间。大家是否还记得，晶体管工作在放大区时所需要的外部条件是什么吗（发射结正偏，集电结反偏）？这节课，我们将要进入一个晶体管工作在放大区时，在实际生活中应用的新内容学习。 2.4放大器的组成及工作原理 一、放大的概念 放大：利用一定的外部工具，使原物体的形状或大小等一系列属性按一定的比例扩大的过程。日常生活中，利用扩音机放大声音，是电子学中最常见的放大。其原理框图为： 声音声音 扩音器原理框图 由此例子，我们知道，放大器大致可以分为：输入信号、放大电路、直流电源、输出信号等四部分，它主要用于放大小信号，其输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。对放大电路的基本要求:一是信号不失真,二是要放大。
晶体三极管知识 晶体三极管作为重要的半导体器件，其基本结构和工作原理需要掌握。下面具体介绍。 三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn 两种组合。三个接出来的端点依序称为射极( emitter, E )、基极(base, B)和集极(collector, C)，名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体, 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中 性的p型区和n型区隔开。 (a) (b) 图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。 三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓 "正向活性区” (forwad active)，在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。EB接面的空乏 区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形 下，电洞和电子的电位能的分布图。 三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在 于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例， 射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极 方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时， 会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小 关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec,与由基极注入 射极的电子流InB? E (这部分是三极管作用不需要的部分) 。InB? E在射极与与电 洞复合，即InB? E=I Erec o pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。
晶体管设计 大功率晶体管是功率驱动电路的核心元件。大功率晶体管通常工作在极限参数状态下，其主要参数是击穿电压和电流容量。分析了大功率晶体管的工作原理和设计原则，并针对一个具体的大功率晶体管的参数要求，设计了晶体管的纵向和横向结构尺寸，并确定了材料参数和工艺参数。 大功率品体管以其电压高，电流大，功率大的独特优势随着社会的进步得到了不断的拓展。在五十年代，锗合金工艺相对硅成熟，因此锗管成为大功率品体管的先声，在大功率晶体管中占据着主流地位。硅大功率晶体管在1956年问世。从此品种繁多的各种硅功率管大量应用到通讯和雷达设备、发射电路中的功率放大器、倍频器和振荡器等。由于硅材料容易获得且能工作在较高温度具有小的反向电流和高的耐压特性等优点，因而在后期硅的发展速度远远超过锗管。 功率开关管作为各种类型开关电源的主功率开关器件，随着开关电源的日益发展，其应用范围更加广泛。目前，硅大功率晶体管已广泛地应用于: (1)电源开关、反相器、电机速度控制: (2)汽车的点火电路，制动电路; (3)用于广播、电视的高频放大和电子计算机，通信设备的电源装置和各类开关电源等方面。 (4)军事工业和航空航天工业大功率设备。 大功率晶体管以其电压高、电流大、功率大的独特优势在自动化控制系统、
计算机电源系统、交通电气设备、不停电电源装置及各类开关电源、各种变流系统、军事工业及航空航夭工业部门的大功率设备中占有非常重要的地位。即使在集成电路技术和新型电力电子器件迅速发展的今天，普通型大功率晶体管在半导体产业这个大家族中仍占有一席之地，特别是在集成电路所不能胜任的领域(诸如低噪声，高耐压，大电流，大功率和微波性能等方面)发挥愈来愈大的作用。因此，进一步研究、设计、制造大功率晶体管具有重要意义。 大功率晶体管区别于小功率晶体管的最大工作特点就是在大的耗散功率或输出功率条件下工作(即在大电流或高电压)。因此，大功率品体管除了在大电流一下保证足够的放大能力和承受较高的集电极电压外，还必须有良好的散热能力。 2. 1大功率晶体管的大电流效应 从晶体管原理可知，当晶体管在大电流或则高压下工作时，会发生一些不同于小电流工作的效应和现象:基区电导调制效应，基区增宽效应，基极电阻自偏压效应和发射极电流集中现象等。 基区电导调制效应:从晶体管的工作机理可知，晶体管的工作电流越大，则注入到基区的少数载流子就越多。为了保持基区电中性的要求，在基区内需要引入同等数量的多数载流子。这样一来，就会使基区内导电的载流子浓度增加，增大了基区的电导率，也就是说，基区的电导率受到了工作电流的调制。山于基区电导率的增加，将使少子在基区内被复合的几率增加，导致电流放大系数下降。 基区增宽效应:在大的电流密度时，晶体管集电结空间电荷区域内的运动载流一子浓度将大大增加。当集电极电流密度达到或超过某一定值时，由于运动载流子浓度的急剧增加，致使集电结附近的空间电荷出现重新分布的现象一基区一边集电结的电荷密度将大大增加，而集电区一边的集电结空间电荷密度将下降。由
单结晶体管工作原理 双基极二极管又称为单结晶体管，它的结构如图1所示。在一片高电阻率的N型硅片一侧的两端各引出一个电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2。而在硅片是另一侧较靠近B2处制作一个PN结，在P型硅上引出一个电极，称为发射极E。两个基极之间的电阻为RBB，一般在2~15kW之间，RBB一般可分为两段，RBB = RB1+ RB2，RB1是第一基极B1至PN结的电阻；RB2是第一基极B2至PN结的电阻。双基极二极管的符号见图1的右侧。 图 1 双基极二极管的结构与符号等效电路 将双基极二极管按图2(a)接于电路之中，观察其特性。首先在两个基极之间加电压UBB，再在发射极E和第一基极B1之间加上电压UE，UE可以用电位器RP进行调节。这样该电路可以改画成图2(b)的形式，双基极二极管可以用一个PN结和二个电阻RB1、RB2组成的等效电路替代。 当基极间加电压UBB时，RB1上分得的电压为 式中称为分压比，与管子结构有关，约在0.5～0.9之间。
2.当UE＝UBB＋UD时，单结晶体管内在PN结导通，发射极电流IE突然增大。把这个突变点称为峰点P。对应的电压UE和电流IE分别称为峰点电压UP和峰点电流IP。显然，峰点电压 Up＝UBB＋UD T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 式中UD为单结晶体管中PN结的正向压降，一般取UD＝0.7V。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 在单结晶体管中PN结导通之后，从发射区（P区）向基压（N区）发射了大量的空穴型载流子，IE增长很快，E和B1之间变成低阻导通状态，RB1迅速减小，而E和B1之间的电压UE也随着下降。这一段特性曲线的动态电阻为负值，因此称为负阻区。而B2的电位高于E的电位，空穴型载流子不会向B2运动，电阻RB2基本上不变。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 当发射极电流IE增大到某一数值时，电压UE下降到最低点。特性由线上的这一点称为谷点V。与此点相对应的是谷点电压UV和谷点电流IV。此后，当调节RP使发射极电流继续增大时，发射极电压略有上升，但变化不大。谷点右边的这部分特性称为饱和区。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 综上所述，单结晶体管具有以下特点：T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 （1）当发射极电压等于峰点电压UP时，单结晶体管导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压UV时，单结晶体管就恢复截止。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 （2）单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及其分压比有关。而分压比是由管子结构决定的，可以看做常数。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 对于分压比不同的管子，或者外加电压UBB的数值不同时，峰值电压UP也就不同。（3）不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2~5V之间。
场效应管工作原理 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P 沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N 型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS=0时的漏源电流。 2、UP 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、gM 对漏极电流I D的控制能力，即漏极电流I D变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。
5、BUDS 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。 7、IDSM UGS=0时的漏极电流。UP —夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。§3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。 一、直流参数 1、饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2、夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA， 50μA)时所需UGS的值。 3、开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS 值。 4、直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。 二、交流参数
《氮化镓功率器件-2016版》 POWER GaN 2016: EPITAXY AND DEVICES, APPLICATIONS, AND TECHNOLOGY TRENDS 购买该报告请联系： 麦姆斯咨询王懿 电子邮箱：wangyi#https://www.doczj.com/doc/9a16121891.html,（#换成@） 氮化镓（GaN）功率器件：一个有前途的、快速增长的市场 氮化镓功率器件市场持续增长，好消息不断 2015~2016年氮化镓（GaN）功率器件市场一直保持增长势头，令人信心满满。截止2014年底，尽管多家厂商发布了一些产品进展公告，但是600V / 650V氮化镓高电子迁移率场效晶体管（HEMT）的商业可用性还存在问题。快到2016年时，终端用户不仅可以从Effcient Power Conversion公司购买到低压（小于200V）氮化镓器件，也可以从Transphorm、GaN Systems和Panasonic等公司购买到高压（600V / 650V）氮化镓器件。 另外，2016年3月初创公司Navitas Semiconductor发布了氮化镓功率IC，随后Dialog Semiconductors于2016年8月发布了氮化镓功率IC。还有一些厂商也想将氮化镓从功率半导体引入更大的模拟IC市场。例如，Effcient Power Conversion公司和GaN Systems公司都在研发一个更加集成化的解决方案，模拟IC领头羊——德州仪器（Texas Instruments）已经涉足氮化镓领域，并在2015年和2016年分别发布了80V功率级和600V功率级产品。 尽管有上述令人振奋的产业发展，但是相比巨大的硅基半导体市场（3350亿美元），氮化镓功率器件市场仍显得很小。事实上，根据Yole调研数据显示，2015年氮化镓功率器件市场低于1000万美元。但是，请再三打量“氮化镓”，它刚刚在市场上抛头露面，所以目前的市场规模是合理的。首个氮化镓器件直到2010年才实现商用，可见氮化镓行业才仅仅6岁。更重要的是氮化镓的未来市场潜力：预计氮化镓功率器件市场将在2021年达到3亿美元，2016~2021年的复合年增率为86%。本报告提供氮化镓功率器件市场及应用，以及未来发展趋势。