超结MOSFET开关特性1

半导体技术人 2021-04-02 00:00

1、器件结构

2、开关特性


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工作原理:

    寄生电容和开关时间:功率MOS具有极快的开关速度,器件导通或关断前需要对寄生电容进行充放电,而电容的充放电需要一定时间,其开关速度要受器件的寄生电容限制。槽栅MOS元胞结构中的寄生电容包括:栅极-源极寄生电容、栅极-P体区寄生电容、栅极-源金属寄生电容、栅极-漂移区寄生电容、P体区-漂移区寄生电容。通常,将栅极-源极寄生电容、栅极-P体区寄生电容、栅极-源金属寄生电容之和称为栅源电容(输入电容);将栅极-漂移区寄生电容称为栅漏电容(密勒电容);P体区-漂移区寄生电容称为漏源电容(输出电容)。


    图1为UMOS芯片在感性负载下开通过程中漏电流和漏电压随时间的变化曲线。初始时刻,VG=0,VD=VDS(VDS为电源电压)。通过栅驱动电路对栅源电容和栅漏电容进行充电,则栅电压VG升高。当VG升至阈电压以上时ID开始增大,其后VD开始下降,最后VG升至栅驱动电路的电源电压VGS,开通过程结束。输入电容和密勒电容越大,电容的充放电时间常数也越大,充电时间越长,开通过程越慢。

 


图1开通过程

    图2为UMOS芯片在感性负载下关断过程中漏电流和漏电压随时间的变化曲线。初始时刻,VG=VGS(VGS为栅驱动电路的电源电压),VD=VON(VON 为器件导通压降)。将栅极和源极短接,栅源电容放电,栅漏电容先放电后反向充电,首先VD开始上升,随后ID开始下降,最后VG降至阈电压Vth以下直至0,关断过程结束。输入电容和密勒电容越大,电容的充放电时间常数也越大,放电和反向充电时间越长,关断过程越慢。


    所谓栅电荷,就是器件开通/关断过程中栅源电容和栅漏电容的充放电电荷,器件的栅电容越大(小),则相应的栅电荷也越大(小),器件的开关速度就越慢(快),开关损耗越大(小)。

 


图2关断过程

 

    安全工作区:功率MOS能够安全、可靠地进行工作的电流和电压范围称为安全工作区(Safe Operation Area)。安全工作区由器件的最高耐压VDS,最大单次脉冲电流IDM,导通电阻制约电流和最大允许耗散功率PCM这四条曲线与电流-电压坐标轴围成的封闭区域决定。工作在这个区域内的器件,其功耗产生的热可以及时散发出去,结温不会超过最高允许工作结温,不会发生破坏性失效。

半导体技术人 半导体器件及集成电路仿真设计、制造技术交流
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