一文詳解MOS的寄生模型

MOS----MOS的寄生模型

引言：MOSFET是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor）的縮寫，具有高速和低損耗的特性，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。和普通的阻容一樣，MOS也有其寄生模型，了解其等效寄生模型有助于我們在高速應(yīng)用中快速掌握其特性。

1.基本模型

圖1-1：NMOS和PMOS實(shí)際寄生模型

MOSFET與雙極功率晶體管相比，其開關(guān)速度更快（雙極晶體管以電子和空穴為載流子施加電流，但MOSFET只允許電流與電子載流子一起流動，從而實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)操作），損耗更低。圖1-1示出了NMOS和PMOS增強(qiáng)型（本系列后續(xù)都以增強(qiáng)型N/P-MOS為主）的等效電路，以及一般常用導(dǎo)通時的電流流向。注意這個導(dǎo)通流向不是唯一的，主要是看源極和漏極之間的電位，漏極電位高于源極，電流D到S。源極電位高于漏極，電流S到D。

2.靜態(tài)參數(shù)

我們將MOS的參數(shù)歸為兩類，靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，當(dāng)用于低頻率場合，諸如負(fù)載開關(guān)，器件驅(qū)動等時，只需要關(guān)注靜態(tài)參數(shù)，當(dāng)用于高頻場合，諸如外驅(qū)功率MOS，電平轉(zhuǎn)換，小信號處理時，在靜態(tài)參數(shù)之外還需要關(guān)注其動態(tài)參數(shù)。

靜態(tài)參數(shù)：

VDSS：當(dāng)柵極和源極導(dǎo)通時，可施加在漏極和源極之間的最大電壓

VGSS：當(dāng)漏極和源極導(dǎo)通時，可在柵極和源極之間施加的最大電壓

ID：漏極端子的最大允許電流

ID(pulse)：脈沖操作期間漏極端子的最大允許電流

IDR：寄生二極管的最大允許電流

Pch：漏極和源極之間的最大允許功率損耗

VBRDSS：漏源擊穿電壓，通過將柵極與源極短路，實(shí)現(xiàn)特定漏極電流的漏極與源極電壓

VGSTH：柵極-源極閾值電壓

VGS（th）：柵極-源極閾值電壓

IDSS：漏極漏電流，通過將柵極與源極短路，在漏極和源極之間施加規(guī)定電壓時的漏極電流

IGSS：柵極漏電流，通過使漏極與源極短路在柵極和源極之間施加規(guī)定電壓時的柵極電流

VGS(OFF)：當(dāng)施加指定的漏極到源極電壓時，用于指定漏極電流的柵極到源極的電壓

RDSON：漏源導(dǎo)通電阻，當(dāng)施加指定的柵極到源極電壓時，指定漏極電流的漏極到源極電阻

RG：柵極寄生電阻

VGS（th）對于確定MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)很重要。VGS（th）被定義為VDS＝VGS，盡管它有時被引用為固定的VDS（例如10V）。請注意，對于源極和漏極短路在一起的特定電流，閾值電壓的定義可能與教科書中的例子不同。教科書中的參數(shù)描述了MOSFET物理狀態(tài)的變化，并且與MOSFET芯片尺寸無關(guān)。RDSON不是一個固定值，它隨VGS的大小而變化，圖1-2表示了這種關(guān)系，VGS越大，MOS的溝道開啟的越多，等效的RDSON越小，開關(guān)損耗也越小，這一點(diǎn)在應(yīng)用MOS時非常重要。另外VGSTH值只是一個門檻值，表明MOS的溝道已經(jīng)打開，但卻不表明已經(jīng)是完全打開的程度，所以一般外施加的VGS一定要大于VGS（th），取1.5×VGS（th），需要考慮到VGS的波動。

圖1-2：VGS與RDSON之間的關(guān)系曲線

3.動態(tài)參數(shù)

Qgd：柵極-漏極電荷，電壓與柵極和漏極之間的鏡像效應(yīng)導(dǎo)致電荷增加

Qgs：柵極-源極電荷，將柵極-源極電壓增加到閾值電壓所需的電荷

Qg：柵極總電荷，在柵極和源極之間施加規(guī)定電壓所需的電荷

Ciss：輸入電容，Ciss = CGS + CGD

Coss：輸出電容，Coss = CDS + CGD

Crss：反向轉(zhuǎn)移電容，Crss = CGD

td(on)：導(dǎo)通延時

tr：上升時間

td(off)：關(guān)斷延時

VSD：體二極管的源漏電壓

4.動態(tài)過程

QG（tot）、QGS和QGD都是來自同一柵極電荷曲線的參數(shù)。它們描述了在特定條件下，MOSFET需要多少柵極電荷才能切換。這在高頻開關(guān)應(yīng)用中尤其重要。當(dāng)漏極、柵極和源極之間同時發(fā)生顯著的電壓和電流變化時，大部分功率損耗發(fā)生在開關(guān)期間。在全關(guān)閉狀態(tài)下，存在顯著的電壓，但電流可以忽略不計(jì)。在全導(dǎo)通狀態(tài)下，存在顯著的電流和較小的電壓。

柵極電荷參數(shù)取決于閾值電壓和開關(guān)動態(tài)以及正在被開關(guān)的負(fù)載，但電阻負(fù)載和電感負(fù)載之間存在差異。柵極電荷曲線示例如圖1-3所示：

圖1-3：QGS的充電如何影響ID，VD，VG

由于電容隨電壓和電流的變化，在確定開關(guān)性能時，最好查看柵極電荷數(shù)據(jù)，而不是電容數(shù)據(jù)。如果MOSFET的柵極驅(qū)動器電路被限制在特定電流，并且需要快速開關(guān)，則情況尤其如此。柵極電荷曲線描述了MOSFET的情況，該MOSFET的漏極被限制在特定的電流和電壓。

在此期間，漏極-源極電壓開始下降，因?yàn)镸OSFET上增加的電荷允許更容易的傳導(dǎo)。因此，盡管柵極-源極電壓是恒定的，但是漏極-柵極電壓正在下降。最終，電容停止增加，柵極電荷的任何進(jìn)一步增加都會增加?xùn)艠O-源極電壓。這種特性有時被稱為“米勒平臺”，因?yàn)樗傅氖撬^的米勒電容增加的時間。米勒平臺也被稱為柵極-漏極電荷（QGD）。在此期間，漏極和源極之間存在顯著的電流和電壓，因此QGD在確定開關(guān)損耗時很重要。

一旦達(dá)到米勒平臺的末端，柵極-源極電壓再次增加，但具有比達(dá)到QGS之前更大的電容。柵極電荷曲線的梯度在米勒平臺之上較小。柵極電荷參數(shù)高度依賴于測量條件，不同的供應(yīng)商經(jīng)常針對不同的條件呈現(xiàn)其柵極電荷參數(shù)，在比較不同來源的柵極電荷參數(shù)時要求謹(jǐn)慎。較高的電流導(dǎo)致較高的柵極-源極電荷值，因?yàn)槠脚_電壓也較高。隨著平臺的增加，更高的漏極-源極電壓導(dǎo)致柵極-漏極電荷和總柵極電荷的值更高。柵極電荷切換期間的漏極-源極電流和電壓如圖1-3所示。

如果MOSFET開始處于關(guān)斷狀態(tài)（VGS＝0V），則柵極上電荷的增加最初導(dǎo)致柵極-源極電壓的增加。在該過程中，在源極和漏極之間提供恒定電壓（VDS）。

當(dāng)柵-源電壓達(dá)到該漏-源電壓下的極限電流的閾值電壓時，MOSFET的電容增加，柵極電壓保持恒定。這被稱為平臺電壓，起始電荷被稱為QGS。電流越高，平臺電壓就越高（見圖1-4）。這與傳遞特性有關(guān)，柵極上的電壓越高，施加的電荷就越多，（Q=C×V），因此使MOSFET更容易導(dǎo)通。

圖1-4：柵極電荷曲線的特點(diǎn)（Plateau：穩(wěn)定期）

柵極電荷曲線中電荷、電壓和電容之間的關(guān)系為：ΔQ=ΔC xΔV。對于不同柵極電壓下的電荷QG的不同梯度，電容隨著柵極-源極電壓的變化而顯著變化。