MOS管入門知識(shí)匯總

MOS管，即金屬（Metal）—氧化物（Oxide）—半導(dǎo)體（Semiconductor）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等優(yōu)勢(shì)，在開(kāi)關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機(jī)、通信電源等高頻電源領(lǐng)域得到了越來(lái)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)原理的不同，分為耗盡型（當(dāng)柵壓為零時(shí)有較大漏極電流）和增強(qiáng)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(qiáng)型、P溝道耗盡型、N溝道增強(qiáng)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(gè)MOS管都提供有三個(gè)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(shí)，對(duì)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(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流由輸入的電壓（或稱場(chǎng)電壓）控制，其輸入的電流極小或沒(méi)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(chǎng)效應(yīng)管的重要原因。

MOS管工作原理

1、N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管原理

N溝道增強(qiáng)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(kuò)散兩個(gè)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(hào)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(chǎng)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(shí)，由于漏極和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012Ω，即D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無(wú)論在漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

圖表3 N溝道增強(qiáng)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(shí)，如圖表3（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。

如果進(jìn)一步提高VGS電壓，使VGS達(dá)到某一電壓VT時(shí)，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(gè)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(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的VGS值稱為閾值電壓或開(kāi)啟電壓，用VGS（th）表示。顯然，只有VGS＞VGS（th）時(shí)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(qiáng)；“增強(qiáng)型”一詞也由此得來(lái)。

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(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)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??；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(gè)溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來(lái)越薄。

當(dāng)VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS（th）時(shí)，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(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如圖表4（b）所示。

盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)）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(qiáng)的電場(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用，會(huì)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(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管原理

P溝道增強(qiáng)型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過(guò)光刻、擴(kuò)散的方法或其他手段，在N型襯底（基片）上制作出兩個(gè)摻雜的P區(qū)，分別引出電極（源極S和漏極D），同時(shí)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(shí)，P溝道增強(qiáng)型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏極對(duì)源極的電壓VDS應(yīng)為負(fù)值，以保證兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏，同時(shí)為了在襯底頂表面附近形成導(dǎo)電溝道，柵極對(duì)源極的電壓也應(yīng)為負(fù)。

圖表6 P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)VDS=0時(shí)。在柵源之間加負(fù)電壓比，由于絕緣層的存在，故沒(méi)有電流，但是金屬柵極被補(bǔ)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(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(gè)P型薄層，稱反型層，如圖表6（2）所示。

這個(gè)反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道，這時(shí)的VGS稱為開(kāi)啟電壓VGS（th），達(dá)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(qiáng)型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖

當(dāng)VDS≠0時(shí)。導(dǎo)電溝道形成以后，D、S間加負(fù)向電壓時(shí)，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(diǎn)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(chǎng)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(zhǎng)，而溝道電流基本上保持預(yù)夾斷時(shí)的數(shù)值，其原因是當(dāng)出現(xiàn)預(yù)夾斷時(shí)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(wú)關(guān)。

圖表8 P溝道增強(qiáng)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(chǎng)效應(yīng)管原理

N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)類似，只有一點(diǎn)不同，就是N溝道耗盡型MOS管在柵極電壓VGS=0時(shí)，溝道已經(jīng)存在。這是因?yàn)镹溝道是在制造過(guò)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(shí)，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(shí)，將使ID進(jìn)一步增加；VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對(duì)應(yīng)ID＝0的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，用符號(hào)VGS（off）或Up表示。

由于耗盡型MOSFET在VGS=0時(shí)，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(chǎng)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(huì)在相對(duì)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(gè)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(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使VDS仍存在，也不會(huì)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(chǎng)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(guò)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(qiáng)型MOS管的區(qū)別

耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別在于耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時(shí)有導(dǎo)電溝道存在，而增強(qiáng)型MOS管只有在開(kāi)啟后，才會(huì)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(qiáng)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(shí)摻入負(fù)離子），當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)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(shí)，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(chǎng)，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(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)可能會(huì)誤觸發(fā)MOS管，導(dǎo)致整機(jī)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(qiáng)型MOS管；其中，PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)。不過(guò)PMOS由于存在導(dǎo)通電阻大、價(jià)格貴、替換種類少等問(wèn)題，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS替代，這也是市面上無(wú)論是應(yīng)用還是產(chǎn)品種類，增強(qiáng)型NMOS管最為常見(jiàn)的重要原因，尤其在開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只需柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。

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(huì)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(huì)減小導(dǎo)通損耗。

MOS管在進(jìn)行導(dǎo)通和截止時(shí)，兩端的電壓有一個(gè)降落過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，這稱之為開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)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?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。

3、寄生電容驅(qū)動(dòng)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(dòng)，理論上就是對(duì)電容的充放電。

對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，由于對(duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一個(gè)要留意的是可提供瞬間短路電流的大??；第二個(gè)要留意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要柵極電壓大于源極電壓。

而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)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104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(gè)寄生二極管，即“體二極管”，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)、繼電器）應(yīng)用中，主要用于保護(hù)回路。不過(guò)體二極管只在單個(gè)MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。

圖表11 寄生二極管位置示意圖

5、不同耐壓MOS管特點(diǎn)

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(shí)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(qiáng)大電流和大功率處理能力，除開(kāi)關(guān)速度快之外，還具有開(kāi)關(guān)損耗低的特點(diǎn)，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(kāi)關(guān)電源方面應(yīng)用較多。

圖表12 不同耐壓MOS管特點(diǎn)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(hào)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(kāi)關(guān)速度的不同。三極管工作時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)都會(huì)感應(yīng)出電荷，當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，假設(shè)這時(shí)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(gè)過(guò)程需求時(shí)間。而MOS由于工作方式不同，不需要恢復(fù)時(shí)間，因此可以用作高速開(kāi)關(guān)管。

其次是控制方式不同。MOS管是電壓控制元件，而三級(jí)管是電流控制元件。在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用MOS管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)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?jī)煞N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(yùn)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(diǎn)，被普遍應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，特別用MOS管做整個(gè)電子設(shè)備的輸入級(jí)，可以獲得普通三極管很難達(dá)到的性能。

最后是功耗損耗不同。同等情況下，采用MOS管時(shí)，功耗損耗低；而選用三極管時(shí)，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(chǎng)所，以及對(duì)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(chǎng)所，達(dá)不到效果時(shí)才會(huì)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(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)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(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。常見(jiàn)的IGBT又分為單管和模塊兩種，單管的外觀和MOS管有點(diǎn)相像，常見(jiàn)生產(chǎn)廠家有富士電機(jī)、仙童半導(dǎo)體等，模塊產(chǎn)品一般為內(nèi)部封裝了數(shù)個(gè)單個(gè)IGBT，由內(nèi)部聯(lián)接成適合的電路。

由于IGBT原理為先開(kāi)通MOS管，再驅(qū)動(dòng)三極管開(kāi)通，該原理決定了IGBT的開(kāi)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?yàn)镮GBT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(gè)工序都需要專門針對(duì)薄片工藝的昂貴機(jī)臺(tái)。

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(huì)超過(guò)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(shí)兼具開(kāi)關(guān)損耗小的特性，因此，IGBT相對(duì)MOS管在電性能沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，加上在性價(jià)比上MOS管更具優(yōu)勢(shì)，所以基本上看不到低壓IGBT。

MOS管的最大劣勢(shì)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(kāi)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(dá)幾歐姆，致使耐流很小。

而IGBT在高耐壓下，導(dǎo)通壓降幾乎沒(méi)明顯增大（IGBT的導(dǎo)通電流通過(guò)三極管處理），所以高壓下IGBT優(yōu)勢(shì)明顯，既有高開(kāi)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(kāi)關(guān)速度高（納秒級(jí)），導(dǎo)通壓降、開(kāi)關(guān)損耗等也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，使得IGBT耐脈沖電流沖擊力更強(qiáng)，且耐壓高、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)更加突出。

在需要耐壓超過(guò)150V的使用條件下，MOS管已經(jīng)基本沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。以典型的IRFS4115與第四代IGBT型SKW30N60對(duì)比中，在150V、20A連續(xù)工況下運(yùn)行，前者開(kāi)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(jiàn)到MOS管，而是廣泛應(yīng)用IGBT元器件。

總的來(lái)說(shuō)，IGBT更適用于高壓、大電流、低頻率（20KHZ左右）場(chǎng)所，電壓越高，IGBT越有優(yōu)勢(shì)，在600v以上，IGBT的優(yōu)勢(shì)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(shì)。

MOS管主要參數(shù)

場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)很多，包括極限參數(shù)、動(dòng)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(kāi)啟電壓VT（加強(qiáng)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(duì)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(shí)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(guò)高導(dǎo)致的柵氧化層損傷。實(shí)際柵氧化層可承受的電壓遠(yuǎn)高于額定電壓，但是會(huì)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(kāi)關(guān)損耗，并且實(shí)際使用時(shí)保持管表面溫度在25℃（Tcase）也很難。因此，硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中實(shí)際開(kāi)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(gè)值更有現(xiàn)實(shí)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(duì)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(duì)于給定的一個(gè)柵-源電壓，如果工作點(diǎn)位于線性區(qū)域內(nèi)，漏極電流的增大會(huì)提高漏-源電壓，由此增大導(dǎo)通損耗。長(zhǎng)時(shí)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(dòng)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(diǎn)在VGS和曲線相交點(diǎn)。

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(guò)高而燒毀。這本質(zhì)上是為了防止過(guò)高電流流經(jīng)封裝引線，因?yàn)樵谀承┣闆r下，整個(gè)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(duì)于IDM的限制，溫度的升高依賴于脈沖寬度，脈沖間的時(shí)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(guò)最大允許值。可以參考熱性能與機(jī)械性能中關(guān)于瞬時(shí)熱阻的討論，來(lái)估計(jì)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(shí)熱阻的函數(shù)。

TJ、TSTG 工作溫度和存儲(chǔ)環(huán)境溫度的范圍

這兩個(gè)參數(shù)標(biāo)定了器件工作和存儲(chǔ)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(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，將極大地延長(zhǎng)其工作壽命。

EAS 單脈沖雪崩擊穿能量

如果電壓過(guò)沖值(通常由于漏電流和雜散電感造成)未超過(guò)擊穿電壓，則器件不會(huì)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(shí)過(guò)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(huì)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(guò)的電流峰值，其會(huì)突然轉(zhuǎn)換為測(cè)量器件的漏極電流。電感上產(chǎn)生的電壓超過(guò)MOSFET擊穿電壓后，將導(dǎo)致雪崩擊穿。雪崩擊穿發(fā)生時(shí)，即使MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，電感上的電流同樣會(huì)流過(guò)MOSFET器件。電感上所儲(chǔ)存的能量與雜散電感上存儲(chǔ)，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(gè)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(guò)。

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(méi)有設(shè)定頻率、其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數(shù)沒(méi)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(duì)于雪崩擊穿所產(chǎn)生的能量高低也很難預(yù)測(cè)。

額定EAR的真實(shí)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(duì)頻率做任何限制，從而器件不會(huì)過(guò)熱，這對(duì)于任何可能發(fā)生雪崩擊穿的器件都是現(xiàn)實(shí)的。在驗(yàn)證器件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最好可以測(cè)量處于工作狀態(tài)的器件或者熱沉的溫度，來(lái)觀察MOSFET器件是否存在過(guò)熱情況，特別是對(duì)于可能發(fā)生雪崩擊穿的器件。

IAR 雪崩擊穿電流

對(duì)于某些器件，雪崩擊穿過(guò)程中芯片上電流集邊的傾向要求對(duì)雪崩電流IAR進(jìn)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(cè)定電路和波形

SOA 安全工作區(qū)

每種MOS管都會(huì)給出其安全工作區(qū)域，功率MOS管不會(huì)表現(xiàn)出二次擊穿，因此安全運(yùn)行區(qū)域只簡(jiǎn)單從導(dǎo)致結(jié)溫達(dá)到最大允許值時(shí)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(guò)漏極電流達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)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(shí)，V(BR)DSS大約是25℃時(shí)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^(guò)程中，使柵極電流IG由零開(kāi)端劇增時(shí)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(kāi)始有電流，或關(guān)斷MOSFET時(shí)電流消失時(shí)的電壓，測(cè)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(huì)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(shí)，MOSFET將會(huì)在比較低的柵源電壓下開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時(shí)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(cè)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(shí)以流過(guò)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(shí)，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(jì)算，通常這部分功耗可以忽略不計(jì)。

IGSS 柵源漏電流

是指在特定的柵源電壓情況下流過(guò)柵極的漏電流。

3、動(dòng)態(tài)電特性

圖表18 動(dòng)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(hào)測(cè)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(shí)器件才能開(kāi)啟，放電致一定值時(shí)器件才可以關(guān)斷。因此驅(qū)動(dòng)電路和Ciss對(duì)器件的開(kāi)啟和關(guān)斷延時(shí)有著直接的影響。

Coss 輸出電容

將柵源短接，用交流信號(hào)測(cè)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(duì)于軟開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，Coss非常重要，因?yàn)樗赡芤痣娐返闹C振

Crss 反向傳輸電容

在源極接地的情況下，測(cè)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(duì)于開(kāi)關(guān)的上升和下降時(shí)間來(lái)說(shuō)是其中一個(gè)重要的參數(shù)，他還影響這關(guān)斷延時(shí)時(shí)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(chǔ)能量

表示輸出電容Coss在MOS管存儲(chǔ)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(gè)參數(shù)，對(duì)于評(píng)估MOS管的開(kāi)關(guān)損耗很有幫助。并非所有的MOS管手冊(cè)中都會(huì)提供這個(gè)參數(shù)，事實(shí)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?yàn)槎O管是雙極型器件，受到電荷存儲(chǔ)的影響，當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，PN結(jié)儲(chǔ)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(chǔ)在端子間電容上的電荷，既然開(kāi)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(jì)柵驅(qū)動(dòng)電路時(shí)經(jīng)常要考慮柵電荷的影響。

Qgs為從0電荷開(kāi)始到第一個(gè)拐點(diǎn)處，Qgd是從第一個(gè)拐點(diǎn)到第二個(gè)拐點(diǎn)之間部分（也叫做“米勒”電荷），Qg是從0點(diǎn)到VGS等于一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)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(duì)柵電荷值影響比較小，而且柵電荷不隨溫度的變化。測(cè)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(duì)應(yīng)的柵電荷變化曲線。在上圖中，平臺(tái)電壓VGS(pl)隨著電流的增大增加的比較?。S著電流的降低也會(huì)降低）。平臺(tái)電壓也正比于閾值電壓，所以不同的閾值電壓將會(huì)產(chǎn)生不同的平臺(tái)電壓。詳解見(jiàn)下圖：

圖表21 Qgs、Qgd和Qg參數(shù)含義分解

td(on) 導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間

是從當(dāng)柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流升到規(guī)定電流的90%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

td(off) 關(guān)斷延時(shí)時(shí)間

是從當(dāng)柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流降至規(guī)定電流的10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)間

上升時(shí)間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間。

Tf 下降時(shí)間

下降時(shí)間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)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(yùn)動(dòng)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(méi)有信號(hào)輸人時(shí)，輸出端也會(huì)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(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)約為幾個(gè)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(duì)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(chǎng)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

審核編輯：湯梓紅