詳解MOS管的基礎(chǔ)知識

MOS管，即金屬(Metal)—氧化物(Oxide)—半導(dǎo)體(Semiconductor)場效應(yīng)晶體管，是一種應(yīng)用場效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體器件。

和普通雙極型晶體管相比，MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等優(yōu)勢，在開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領(lǐng)域得到了越來越普遍的應(yīng)用。

MOS管的種類及結(jié)構(gòu)

MOS管是FET的一種(另一種為JFET結(jié)型場效應(yīng)管)，主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：N溝道型和P溝道型;又根據(jù)場效應(yīng)原理的不同，分為耗盡型(當(dāng)柵壓為零時有較大漏極電流)和增強型(當(dāng)柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流)兩種。因此，MOS管可以被制構(gòu)成P溝道增強型、P溝道耗盡型、N溝道增強型、N溝道耗盡型4種類型產(chǎn)品。

圖表1 MOS管的4種類型

每一個MOS管都提供有三個電極：Gate柵極(表示為“G”)、Source源極(表示為“S”)、Drain漏極(表示為“D”)。接線時，對于N溝道的電源輸入為D，輸出為S;P溝道的電源輸入為S，輸出為D;且增強型、耗盡型的接法基本一樣。

圖表2 MOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從結(jié)構(gòu)圖可發(fā)現(xiàn)，N溝道型場效應(yīng)管的源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，而P溝道型場效應(yīng)管的源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場效應(yīng)管輸出電流由輸入的電壓(或稱場電壓)控制，其輸入的電流極小或沒有電流輸入，使得該器件有很高的輸入阻抗，這也是MOS管被稱為場效應(yīng)管的重要原因。

MOS管工作原理

1、N溝道增強型場效應(yīng)管原理

N溝道增強型MOS管在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極(漏極D、源極S);在源極和漏極之間的SiO2絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G;P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以NMOS又被稱為絕緣柵型場效應(yīng)管。

當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時，由于漏極和源極兩個N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達1012Ω，即D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無論在漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產(chǎn)生漏極電流ID。

圖表3 N溝道增強型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即VGS>0時，如圖表3(a)所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。

如果進一步提高VGS電壓，使VGS達到某一電壓VT時，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如圖表3(b)所示。

反型層將漏極D和源極S兩個N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)電溝道所需的VGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用VGS(th)表示。顯然，只有VGS>VGS(th)時才有溝道，而且VGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強;“增強型”一詞也由此得來。

圖表4 耗盡層與反型層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)示意圖

在VGS>VGS(th)的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓VDS，導(dǎo)電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓VGD最小，其值為VGD=VGS-VDS，相應(yīng)的溝道最薄;靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于VGS，相應(yīng)的溝道最厚。

這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

當(dāng)VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS(th)時，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如圖表4(a)所示。繼續(xù)增大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)]，夾斷點向源極方向移動，如圖表4(b)所示。

盡管夾斷點在移動，但溝道區(qū)(源極S到夾斷點)的電壓降保持不變，仍等于VGS-VGS(th)。因此，VDS多余部分電壓[VDS-(VGS-VGS(th))]全部降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達夾斷區(qū)邊緣時，受夾斷區(qū)強電場的作用，會很快的漂移到漏極。

圖表5 預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

2、P溝道增強型場效應(yīng)管原理

P溝道增強型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過光刻、擴散的方法或其他手段，在N型襯底(基片)上制作出兩個摻雜的P區(qū)，分別引出電極(源極S和漏極D)，同時在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G。其結(jié)構(gòu)和工作原理與N溝道MOS管類似;只是使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反。

在正常工作時，P溝道增強型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏極對源極的電壓VDS應(yīng)為負(fù)值，以保證兩個P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏，同時為了在襯底頂表面附近形成導(dǎo)電溝道，柵極對源極的電壓也應(yīng)為負(fù)。

圖表6 P溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)VDS=0時。在柵源之間加負(fù)電壓比，由于絕緣層的存在，故沒有電流，但是金屬柵極被補充電而聚集負(fù)電荷，N型半導(dǎo)體中的多子電子被負(fù)電荷排斥向體內(nèi)運動，表面留下帶正電的離子，形成耗盡層。

隨著G、S間負(fù)電壓的增加，耗盡層加寬，當(dāng)VDS增大到一定值時，襯底中的空穴(少子)被柵極中的負(fù)電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個P型薄層，稱反型層，如圖表6(2)所示。

這個反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道，這時的VGS稱為開啟電壓VGS(th)，達到VGS(th)后再增加，襯底表面感應(yīng)的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用VGS的大小控制導(dǎo)電溝道的寬度。

圖表7 P溝道增強型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖

當(dāng)VDS≠0時。導(dǎo)電溝道形成以后，D、S間加負(fù)向電壓時，那么在源極與漏極之間將有漏極電流ID流通，而且ID隨VDS而增，ID沿溝道產(chǎn)生的壓降使溝道上各點與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負(fù)電荷電場的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄，如圖表7(1)所示。

當(dāng)VDS增大到使VGD=VGS(即VDS=VGS-VGS(TH))，溝道在漏極附近出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖表7(2)所示。再繼續(xù)增大VDS，夾斷區(qū)只是稍有加長，而溝道電流基本上保持預(yù)夾斷時的數(shù)值，其原因是當(dāng)出現(xiàn)預(yù)夾斷時再繼續(xù)增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏極附近的夾斷區(qū)上，故形成的漏極電流ID近似與VDS無關(guān)。

圖表8 P溝道增強型MOS管預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

3、N溝道耗盡型場效應(yīng)管原理

N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)與增強型MOS管結(jié)構(gòu)類似，只有一點不同，就是N溝道耗盡型MOS管在柵極電壓VGS=0時，溝道已經(jīng)存在。這是因為N溝道是在制造過程中采用離子注入法預(yù)先在D、S之間襯底的表面、柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，該溝道亦稱為初始溝道。

當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道，所以只要有漏源電壓，就有漏極電流存在;當(dāng)VGS>0時，將使ID進一步增加;VGS<0時，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，用符號VGS(off)或Up表示。

由于耗盡型MOSFET在VGS=0時，漏源之間的溝道已經(jīng)存在，所以只要加上VDS，就有ID流通。如果增加正向柵壓VGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)增大。

如果在柵極加負(fù)電壓(即VGS<0)，就會在相對應(yīng)的襯底表面感應(yīng)出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產(chǎn)生一個耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)減小。當(dāng)負(fù)柵壓增大到某一電壓VGS(off)時，耗盡區(qū)擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷(耗盡)，這時即使VDS仍存在，也不會產(chǎn)生漏極電流，即ID=0。

圖表9 N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)(左)及轉(zhuǎn)移特性(右)示意圖

4、P溝道耗盡型場效應(yīng)管原理

P溝道耗盡型MOS管的工作原理與N溝道耗盡型MOS管完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性也不同。

5、耗盡型與增強型MOS管的區(qū)別

耗盡型與增強型的主要區(qū)別在于耗盡型MOS管在G端(Gate)不加電壓時有導(dǎo)電溝道存在，而增強型MOS管只有在開啟后，才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道;兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS(柵極電壓)可以用正、零、負(fù)電壓控制導(dǎo)通，而增強型MOS管必須使得VGS>VGS(th)(柵極閾值電壓)才行。

由于耗盡型N溝道MOS管在SiO2絕緣層中摻有大量的Na+或K+正離子(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負(fù)離子)，當(dāng)VGS=0時，這些正離子產(chǎn)生的電場能在P型襯底中感應(yīng)出足夠的電子，形成N型導(dǎo)電溝道;當(dāng)VGS>0時，將產(chǎn)生較大的ID(漏極電流);如果使VGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。

這些特性使得耗盡型MOS管在實際應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)備開機時可能會誤觸發(fā)MOS管，導(dǎo)致整機失效;不易被控制，使得其應(yīng)用極少。

因此，日常我們看到的NMOS、PMOS多為增強型MOS管;其中，PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動。不過PMOS由于存在導(dǎo)通電阻大、價格貴、替換種類少等問題，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS替代，這也是市面上無論是應(yīng)用還是產(chǎn)品種類，增強型NMOS管最為常見的重要原因，尤其在開關(guān)電源和馬達驅(qū)動的應(yīng)用中，一般都用NMOS管。

MOS管重要特性

1、導(dǎo)通特性

導(dǎo)通的意義是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就會導(dǎo)通，適用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動)，只需柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會導(dǎo)通，適用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。

2、損失特性

不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，電流就會被電阻消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾毫歐至幾十毫歐左右，選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗。

MOS管在進行導(dǎo)通和截止時，兩端的電壓有一個降落過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，這稱之為開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。

導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積越大，構(gòu)成的損失也就越大。縮短開關(guān)時間，可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

3、寄生電容驅(qū)動特性

跟雙極性晶體管相比，MOS管需要GS電壓高于一定的值才能導(dǎo)通，而且還要求較快的導(dǎo)通速度。在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS、GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，理論上就是對電容的充放電。

對電容的充電需要一個電流，由于對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時第一個要留意的是可提供瞬間短路電流的大小;第二個要留意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導(dǎo)通時需要柵極電壓大于源極電壓。

而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時柵極導(dǎo)通電壓要比VCC高4V或10V，而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。

圖表10 4種MOS管特性比較示意圖

4、寄生二極管

漏極和源極之間有一個寄生二極管，即“體二極管”，在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達、繼電器)應(yīng)用中，主要用于保護回路。不過體二極管只在單個MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。

圖表11 寄生二極管位置示意圖

5、不同耐壓MOS管特點

不同耐壓的MOS管，其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布不同。如耐壓30V的MOS管，其外延層電阻僅為總導(dǎo)通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的96.5%。

不同耐壓MOS管的區(qū)別主要在于，耐高壓的MOS管其反應(yīng)速度比耐低壓的MOS管要慢，因此，它們的特性在實際應(yīng)用中也表現(xiàn)出了不一樣之處，如耐中低壓MOS管只需要極低的柵極電荷就可以滿足強大電流和大功率處理能力，除開關(guān)速度快之外，還具有開關(guān)損耗低的特點，特別適應(yīng)PWM輸出模式應(yīng)用;而耐高壓MOS管具有輸入阻抗高的特性，在電子鎮(zhèn)流器、電子變壓器、開關(guān)電源方面應(yīng)用較多。

圖表12 不同耐壓MOS管特點一覽表

MOS管與三極管、IBGT的差別

1、MOS管與三極管的差別

三極管全稱為半導(dǎo)體三極管，它的主要作用就是將微小的信號中止放大。MOS管與三極管有著許多相近的地方，也有許多不同之處。

首先是開關(guān)速度的不同。三極管工作時，兩個PN結(jié)都會感應(yīng)出電荷，當(dāng)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，三極管處于飽和狀態(tài)，假設(shè)這時三極管截至，PN結(jié)感應(yīng)的電荷要恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這個過程需求時間。而MOS由于工作方式不同，不需要恢復(fù)時間，因此可以用作高速開關(guān)管。

其次是控制方式不同。MOS管是電壓控制元件，而三級管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用MOS管;而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用三極管。

接著是載流子種類數(shù)量不同。電力電子技術(shù)中提及的單極器件是指只靠一種載流子導(dǎo)電的器件，雙極器件是指靠兩種載流子導(dǎo)電的器件。MOS管只應(yīng)用了一種多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以也稱為單極型器件;而三極管是既有多數(shù)載流子，也應(yīng)用少數(shù)載流子導(dǎo)電;是為雙極型器件。

第三是靈活性不同。有些MOS管的源極和漏極可以互換運用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比三極管好。

第四是集成能力不同。MOS管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多MOS管集成在一塊硅片上，因此MOS管在大范圍集成電路中得到了普遍的應(yīng)用。

第五是輸入阻抗和噪聲能力不同。MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點，被普遍應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，特別用MOS管做整個電子設(shè)備的輸入級，可以獲得普通三極管很難達到的性能。

最后是功耗損耗不同。同等情況下，采用MOS管時，功耗損耗低;而選用三極管時，功耗損耗要高出許多。

當(dāng)然，在使用成本上，MOS管要高于三極管，因此根據(jù)兩種元件的特性，MOS管常用于高頻高速電路、大電流場所，以及對基極或漏極控制電流比較敏感的中央?yún)^(qū)域;而三極管則用于低成本場所，達不到效果時才會考慮替換選用MOS管。

表13 MOS管與三極管主要差異比較一覽

2、MOS管與IBGT的差別

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS絕緣柵型場效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和功率晶體管(GTR)的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。常見的IGBT又分為單管和模塊兩種，單管的外觀和MOS管有點相像，常見生產(chǎn)廠家有富士電機、仙童半導(dǎo)體等，模塊產(chǎn)品一般為內(nèi)部封裝了數(shù)個單個IGBT，由內(nèi)部聯(lián)接成適合的電路。

由于IGBT原理為先開通MOS管，再驅(qū)動三極管開通，該原理決定了IGBT的開關(guān)速度比MOS管慢，但比三極管快。

制造成本上，IGBT要比MOS管高很多，這是因為IGBT的制作多了薄片背面離子注入、薄片低溫退火(如激光退火)工序，而這兩個工序都需要專門針對薄片工藝的昂貴機臺。

在低壓下，低壓MOS管的導(dǎo)通壓降通常都控制在0.5V以下(基本不會超過1V的)，比如IR4110低壓MOS管，其內(nèi)阻為4mΩ，給它100A的導(dǎo)通電流，導(dǎo)通壓降是0.4V左右。電流導(dǎo)通壓降低，意味著導(dǎo)通損耗小，同時兼具開關(guān)損耗小的特性，因此，IGBT相對MOS管在電性能沒有優(yōu)勢，加上在性價比上MOS管更具優(yōu)勢，所以基本上看不到低壓IGBT。

MOS管的最大劣勢是隨著耐壓升高，內(nèi)阻迅速增大，所以高壓下內(nèi)阻很大，致使MOS管不能做大功率應(yīng)用。

在高壓領(lǐng)域，MOS管的開關(guān)速度仍是最快的，但高壓下MOS管的導(dǎo)通壓降很大(內(nèi)阻隨耐壓升高而迅速升高)，即便是耐壓600V的COOLMOS管，導(dǎo)通電阻可高達幾歐姆，致使耐流很小。

而IGBT在高耐壓下，導(dǎo)通壓降幾乎沒明顯增大(IGBT的導(dǎo)通電流通過三極管處理)，所以高壓下IGBT優(yōu)勢明顯，既有高開關(guān)速度，又有三極管的大電流特性;另外，在新一代IGBT產(chǎn)品中，開關(guān)速度高(納秒級)，導(dǎo)通壓降、開關(guān)損耗等也有了長足進步，使得IGBT耐脈沖電流沖擊力更強，且耐壓高、驅(qū)動功率小等優(yōu)點更加突出。

在需要耐壓超過150V的使用條件下，MOS管已經(jīng)基本沒有優(yōu)勢。以典型的IRFS4115與第四代IGBT型SKW30N60對比中，在150V、20A連續(xù)工況下運行，前者開關(guān)損耗為6mJ/pulse，而后者只有1.15mJ/pulse，不足前者的1/5;若用極限工作條件，二者功率負(fù)荷相差將更懸殊!

目前，諸如冶金、鋼鐵、高速鐵路、船舶等有大功率需求的領(lǐng)域已較少見到MOS管，而是廣泛應(yīng)用IGBT元器件。

總的來說，IGBT更適用于高壓、大電流、低頻率(20KHZ左右)場所，電壓越高，IGBT越有優(yōu)勢，在600v以上，IGBT的優(yōu)勢非常明顯;而MOSFET更適用于低電壓、小電流、低頻率(幾十KHz~幾MHz)領(lǐng)域，電壓越低，MOS管越有優(yōu)勢。

MOS管主要參數(shù)

場效應(yīng)管的參數(shù)很多，包括極限參數(shù)、動態(tài)電特性參數(shù)和靜態(tài)電特性參數(shù)，其中重要的參數(shù)有：飽和漏源電流IDSS、夾斷電壓Up、開啟電壓VT(加強型絕緣柵管)、跨導(dǎo)gM、漏源擊穿電壓BVDS、最大耗散功率PDSM和最大漏源電流IDSM等。

1、最大額定參數(shù)

最大額定參數(shù)，要求所有數(shù)值取得條件為Ta=25℃。

圖表14 MOS管的絕對最大額定值示例

VDS/VDSS 最大漏源電壓

在柵源短接，漏源額定電壓VDSS[或?qū)懽鱒(BR)DSS]是指漏-源未發(fā)生雪崩擊穿前所能施加的最大電壓。根據(jù)溫度的不同，實際雪崩擊穿電壓可能低于額定VDSS。

VGS/ VGSS 最大柵源電壓

VGS[或?qū)懽鱒(BR)GSS]額定電壓是柵源兩極間可以施加的最大電壓。設(shè)定該額定電壓的主要目的是防止電壓過高導(dǎo)致的柵氧化層損傷。實際柵氧化層可承受的電壓遠(yuǎn)高于額定電壓，但是會隨制造工藝的不同而改變，因此保持VGS在額定電壓以內(nèi)可以保證應(yīng)用的可靠性。

ID 連續(xù)漏電流

ID定義為芯片在最大額定結(jié)溫TJ(max)下，管表面溫度在25℃或者更高溫度下，可允許的最大連續(xù)直流電流。該參數(shù)為結(jié)與管殼之間額定熱阻RθJC和管殼溫度的函數(shù)：

ID中并不包含開關(guān)損耗，并且實際使用時保持管表面溫度在25℃(Tcase)也很難。因此，硬開關(guān)應(yīng)用中實際開關(guān)電流通常小于ID 額定值@ TC=25℃的一半，通常在1/3～1/4。

注：采用熱阻JA可以估算出特定溫度下的ID，這個值更有現(xiàn)實意義。

IDM/IDSM 脈沖漏極電流/最大漏源電流

該參數(shù)反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。定義IDM的目的在于：線的歐姆區(qū)。對于一定的柵-源電壓，MOSFET導(dǎo)通后，存在最大的漏極電流，如圖表15所示，對于給定的一個柵-源電壓，如果工作點位于線性區(qū)域內(nèi)，漏極電流的增大會提高漏-源電壓，由此增大導(dǎo)通損耗。長時間工作在大功率之下，將導(dǎo)致器件失效。因此，在典型柵極驅(qū)動電壓下，需要將額定IDM設(shè)定在區(qū)域之下，區(qū)域的分界點在VGS和曲線相交點。

圖表15 MOSFET導(dǎo)通后，存在最大的漏極電流

因此需要設(shè)定電流密度上限，防止芯片溫度過高而燒毀。這本質(zhì)上是為了防止過高電流流經(jīng)封裝引線，因為在某些情況下，整個芯片上最“薄弱的連接”不是芯片，而是封裝引線。

考慮到熱效應(yīng)對于IDM的限制，溫度的升高依賴于脈沖寬度，脈沖間的時間間隔，散熱狀況，RDS(on)以及脈沖電流的波形和幅度。單純滿足脈沖電流不超出IDM上限并不能保證結(jié)溫不超過最大允許值。可以參考熱性能與機械性能中關(guān)于瞬時熱阻的討論，來估計脈沖電流下結(jié)溫的情況。

PDSM 最大耗散功率

亦即容許溝道總功耗，標(biāo)定了器件可以消散的最大功耗，可以表示為最大結(jié)溫和管殼溫度為25℃時熱阻的函數(shù)。

TJ、TSTG 工作溫度和存儲環(huán)境溫度的范圍

這兩個參數(shù)標(biāo)定了器件工作和存儲環(huán)境所允許的結(jié)溫區(qū)間。設(shè)定這樣的溫度范圍是為了滿足器件最短工作壽命的要求。如果確保器件工作在這個溫度區(qū)間內(nèi)，將極大地延長其工作壽命。

EAS 單脈沖雪崩擊穿能量

如果電壓過沖值(通常由于漏電流和雜散電感造成)未超過擊穿電壓，則器件不會發(fā)生雪崩擊穿，因此也就不需要消散雪崩擊穿的能力。雪崩擊穿能量標(biāo)定了器件可以容忍的瞬時過沖電壓的安全值，其依賴于雪崩擊穿需要消散的能量。定義額定雪崩擊穿能量的器件通常也會定義額定EAS。額定雪崩擊穿能量與額定UIS具有相似的意義。EAS標(biāo)定了器件可以安全吸收反向雪崩擊穿能量的高低。

L是電感值，ID為電感上流過的電流峰值，其會突然轉(zhuǎn)換為測量器件的漏極電流。電感上產(chǎn)生的電壓超過MOSFET擊穿電壓后，將導(dǎo)致雪崩擊穿。雪崩擊穿發(fā)生時，即使MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，電感上的電流同樣會流過MOSFET器件。電感上所儲存的能量與雜散電感上存儲，由MOSFET消散的能量類似。

MOSFET并聯(lián)后，不同器件之間的擊穿電壓很難完全相同。通常情況是：某個器件率先發(fā)生雪崩擊穿，隨后所有的雪崩擊穿電流(能量)都從該器件流過。

EAR 重復(fù)雪崩能量

重復(fù)雪崩能量已經(jīng)成為“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，但是在沒有設(shè)定頻率、其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數(shù)沒有任何意義。散熱(冷卻)狀況經(jīng)常制約著重復(fù)雪崩能量。對于雪崩擊穿所產(chǎn)生的能量高低也很難預(yù)測。

額定EAR的真實意義在于標(biāo)定了器件所能承受的反復(fù)雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對頻率做任何限制，從而器件不會過熱，這對于任何可能發(fā)生雪崩擊穿的器件都是現(xiàn)實的。在驗證器件設(shè)計的過程中，最好可以測量處于工作狀態(tài)的器件或者熱沉的溫度，來觀察MOSFET器件是否存在過熱情況，特別是對于可能發(fā)生雪崩擊穿的器件。

IAR 雪崩擊穿電流

對于某些器件，雪崩擊穿過程中芯片上電流集邊的傾向要求對雪崩電流IAR進行限制。這樣，雪崩電流變成雪崩擊穿能量規(guī)格的“精細(xì)闡述”;其揭示了器件真正的能力。

圖表16 雪崩破壞耐量測定電路和波形

SOA 安全工作區(qū)

每種MOS管都會給出其安全工作區(qū)域，功率MOS管不會表現(xiàn)出二次擊穿，因此安全運行區(qū)域只簡單從導(dǎo)致結(jié)溫達到最大允許值時的耗散功率定義。

2、靜態(tài)電特性

圖表17 靜態(tài)電特性及參數(shù)一覽表

V(BR)DSS/VBDSS 漏源擊穿電壓(破壞電壓)

或叫BVDS，是指在特定的溫度和柵源短接情況下，流過漏極電流達到一個特定值時的漏源電壓。這種情況下的漏源電壓為雪崩擊穿電壓。V(BR)DSS是正溫度系數(shù)，其漏源電壓的最大額定值隨著溫度的下降而降低，在-50℃時，V(BR)DSS大約是25℃時最大漏源額定電壓的90%。

BVGS 柵源擊穿電壓

在增加?xùn)旁措妷哼^程中，使柵極電流IG由零開端劇增時的VGS。

VGS(th)閾值電壓

也用VT表示，是指加的柵源電壓能使漏極開始有電流，或關(guān)斷MOSFET時電流消失時的電壓，測試的條件(漏極電流、漏源電壓、結(jié)溫)也是有規(guī)格的。正常情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會有所不同。因此，VGS(th)的變化范圍是規(guī)定好的。VGS(th)是負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度上升時，MOSFET將會在比較低的柵源電壓下開啟。

VGS(off) 夾斷電壓

也用Up表示，是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。

RDS(on) 導(dǎo)通電阻

是指在特定的漏電流(通常為ID電流的一半)、柵源電壓和25℃的情況下測得的漏-源電阻。

RGS 柵源電阻

即在柵、源極之間加的電壓與柵極電流之比，這一特性有時以流過柵極的柵流表示MOS管的RGS能夠很容易地超越1010Ω。

IDSS 零柵壓漏極電流

也稱為飽和漏源電流，是指在當(dāng)柵源電壓VGS=0時，在特定的漏源電壓下的漏源之間泄漏電流。既然泄漏電流隨著溫度的增加而增大，IDSS在室溫和高溫下都有規(guī)定。漏電流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之間的電壓計算，通常這部分功耗可以忽略不計。

IGSS 柵源漏電流

是指在特定的柵源電壓情況下流過柵極的漏電流。

3、動態(tài)電特性

圖表18 動態(tài)電特性及參數(shù)一覽表

Ciss 輸入電容

將漏源短接，用交流信號測得的柵極和源極之間的電容就是輸入電容。Ciss是由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs并聯(lián)而成，或者Ciss=Cgs+Cgd。當(dāng)輸入電容充電致閾值電壓時器件才能開啟，放電致一定值時器件才可以關(guān)斷。因此驅(qū)動電路和Ciss對器件的開啟和關(guān)斷延時有著直接的影響。

Coss 輸出電容

將柵源短接，用交流信號測得的漏極和源極之間的電容就是輸出電容。Coss是由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd并聯(lián)而成，或者Coss=Cds+Cgd，對于軟開關(guān)的應(yīng)用，Coss非常重要，因為它可能引起電路的諧振

Crss 反向傳輸電容

在源極接地的情況下，測得的漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容。反向傳輸電容等同于柵漏電容。Cres=Cgd，反向傳輸電容也常叫做米勒電容，對于開關(guān)的上升和下降時間來說是其中一個重要的參數(shù)，他還影響這關(guān)斷延時時間。電容隨著漏源電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸電容。

Eoss 輸出電容存儲能量

表示輸出電容Coss在MOS管存儲的能量大小。由于MOS管的輸出電容Coss有非常明顯的非線性特性，隨VDS電壓的變化而變化。所以如果Datasheet提供了這個參數(shù)，對于評估MOS管的開關(guān)損耗很有幫助。并非所有的MOS管手冊中都會提供這個參數(shù)，事實上大部分Datasheet并不提供。

di/dt 電流上升率

該參數(shù)反應(yīng)了MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性。因為二極管是雙極型器件，受到電荷存儲的影響，當(dāng)二極管反向偏置時，PN結(jié)儲存的電荷必須清除，上述參數(shù)正反映了這一特性。

圖表19 寄生電容結(jié)構(gòu)和電路示意圖

Qgs、Qgd和Qg(柵極電荷值)

Qg柵極電荷值，也叫柵極總充電電量，反應(yīng)存儲在端子間電容上的電荷，既然開關(guān)的瞬間，電容上的電荷隨電壓的變化而變化，所以設(shè)計柵驅(qū)動電路時經(jīng)常要考慮柵電荷的影響。

Qgs為從0電荷開始到第一個拐點處，Qgd是從第一個拐點到第二個拐點之間部分(也叫做“米勒”電荷)，Qg是從0點到VGS等于一個特定的驅(qū)動電壓的部分。

圖表20 Qgs、Qgd和Qg參數(shù)含義示意圖

漏電流和漏源電壓的變化對柵電荷值影響比較小，而且柵電荷不隨溫度的變化。測試條件是規(guī)定好的。柵電荷的曲線圖體現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，包括固定漏電流和變化漏源電壓情況下所對應(yīng)的柵電荷變化曲線。在上圖中，平臺電壓VGS(pl)隨著電流的增大增加的比較小(隨著電流的降低也會降低)。平臺電壓也正比于閾值電壓，所以不同的閾值電壓將會產(chǎn)生不同的平臺電壓。詳解見下圖：

圖表21 Qgs、Qgd和Qg參數(shù)含義分解

td(on) 導(dǎo)通延時時間

是從當(dāng)柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動電壓時到漏電流升到規(guī)定電流的90%時所經(jīng)歷的時間。

td(off) 關(guān)斷延時時間

是從當(dāng)柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動電壓時到漏電流降至規(guī)定電流的10%時所經(jīng)歷的時間。這顯示電流傳輸?shù)截?fù)載之前所經(jīng)歷的延遲。

Tr 上升時間

上升時間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時間。

Tf 下降時間

下降時間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時間。

NF 低頻噪聲系數(shù)

單位為分貝(dB)，噪聲是由管子內(nèi)部載流子運動的不規(guī)則性所引起的，由于它的存在，可使放大器即便在沒有信號輸人時，輸出端也會出現(xiàn)不規(guī)則的電壓或電流變化。噪聲系數(shù)NF數(shù)值越小，代表管子所產(chǎn)生的噪聲越小，場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)約為幾個分貝，比雙極性三極管的要小。

gM 跨導(dǎo)

是表示柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制能力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓VGS變化量的比值，是權(quán)衡場效應(yīng)管放大才能的重要參數(shù)。

4、其他重要參數(shù)

除以上介紹的參數(shù)之外，MOS管還有很多重要的參數(shù)，明細(xì)如下：

表22 MOS管其他重要參數(shù)列表

原文標(biāo)題：技術(shù)參數(shù)詳解：MOS管知識最全收錄!

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審核編輯：湯梓紅