內(nèi)容表 

1.基本器件結(jié)構(gòu)

2.擊穿電壓

3.導(dǎo)通狀態(tài)特性

4.電容

5.柵極電荷

6.柵極電阻

7.導(dǎo)通和關(guān)斷

8.體二極管正向電壓

9.體二極管反向恢復(fù)

10.雪崩能力和額定

11.dV/dt額定

12.熱阻特性

13.功率耗散

14.安全工作區(qū)

15.電流額定

1.基本器件結(jié)構(gòu)

功率MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)是非常通用的功率器件，因?yàn)樗哂械偷臇艠O驅(qū)動(dòng)功率，快的開(kāi)關(guān)速度和優(yōu)異的并聯(lián)工作能力。許多功率MOSFET具有縱向的垂直結(jié)構(gòu)，源極和漏極在晶元的相對(duì)的平面，從而可以流過(guò)大的電流和具有高的電壓。

圖1a和1b示出溝漕和平面兩種基本的器件結(jié)構(gòu)。溝漕結(jié)構(gòu)主要用于額定電壓低于200V的器件，因?yàn)樗哂懈叩臏系烂芏?，因此?dǎo)通電阻低。平面結(jié)構(gòu)適合于更高的額定電壓器件，因?yàn)閷?dǎo)通電阻主要由epi-層的電阻來(lái)決定，因此無(wú)法得到高的單元密度。兩種結(jié)構(gòu)基本的操作相同。除了特別的定義，本文只討論溝漕結(jié)構(gòu)。

                          Figure 1a: 溝漕MOSFET結(jié)構(gòu)                             Figure 1b: 平面MOSFET結(jié)構(gòu)      
 

2.擊穿電壓

在許多功率MOSFET中，N⁺ 源極和P-體形成的結(jié)是通過(guò)金屬物短路的，從而避免意外的導(dǎo)通寄生的三極管。當(dāng)沒(méi)有偏置加在柵極時(shí)，功率MOSFET通過(guò)反向偏置P-體和N^- Epi形成的結(jié)，可以承受高的漏極電壓。

在高壓器件中，絕大部分電壓由少摻雜的Epi層來(lái)承受：厚的少摻雜的Epi層承受更高的擊穿耐壓，但是增加了導(dǎo)通電阻。在低壓器件中，P-體摻雜程度和N^- Epi層差不多，也可以承受電壓。如果P-體的厚度不夠，重摻雜太多，耗盡區(qū)可以通孔達(dá)到N⁺ 源極區(qū)，從而降低了擊穿電壓值。如果P-體的厚度太大，重摻雜不夠，溝道的電阻和閾值電壓將增大。因此需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)體和Epi摻雜和厚度以?xún)?yōu)化其性能。

數(shù)據(jù)表中，BV_DSS通常定義為漏電流為250uA時(shí)漏極到源極的電壓。漏極到源極的漏電流表示為I_DSS，它在100%的BV_DSS額定時(shí)測(cè)量。溫度增加，I_DSS增加，BV_DSS也增加。 

3.導(dǎo)通狀態(tài)特性

要考慮功率MOSFET在兩種不同的模式下工作：第一象限和第三象限工作。

第一象限工作

當(dāng)正向電壓加在漏極上時(shí)，N溝道的功率MOSFET操作在第一象限工作，如圖2所示。當(dāng)柵極電壓V_G增加到閾值電壓V_TH時(shí)，MOSFET溝道開(kāi)始流過(guò)電流。它流過(guò)電流的值取決于MOSFET的導(dǎo)通電阻，定義為：

RDSON=VD/ID

對(duì)于足夠的柵極電荷過(guò)驅(qū)動(dòng)V_G>>V_TH，I_D-V_D曲線操作在線性區(qū)，因?yàn)镸OSFET的溝道完全導(dǎo)通。在低的柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓下，當(dāng)V_D>(V_G-V_TH)，由于溝道的修剪效應(yīng)，漏極電流達(dá)到飽和點(diǎn)。

圖2: 導(dǎo)通區(qū)特性（第一象限）

對(duì)于溝漕MOSFET, R_DSON由于下面幾個(gè)部分組成：         
- R_S: 源極電阻         
- R_CH: 溝道電阻         
- R_ACC: 聚集區(qū)電阻         
- R_EPI: 硅片頂層電阻，外延硅，有名epi；epi控制著MOSFET可以承受阻斷電壓值         
- R_SUBS: 硅襯底電阻，epi從它上面生長(zhǎng)。

圖3a: 溝漕R_DSON組成                                  圖3b: 平面MOSFETR_DSON組成    

對(duì)于平面MOSFET, R_DSON組成部分和溝漕MOSFET相似。主要的不同在于出現(xiàn)JFET部分。當(dāng)器件縮小到更小的尺寸，R_S, R_CH, R_ACC也減小，因?yàn)楦嗟膯蝹€(gè)的單元晶胞將堆積在給定的硅片區(qū)。另一方面，當(dāng)電流被限制在靠近P-體區(qū)的狹窄的n-區(qū)流過(guò)時(shí)，R_JFET將遭受JFET效應(yīng)。由于沒(méi)有JFET效應(yīng)，溝漕MOSFET可以得到更高密度的縮減，實(shí)現(xiàn)低的R_DSON。

溝道電阻R_CH主要依賴(lài)于柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)程度。V_GS增加，R_CH減小。開(kāi)始時(shí)，當(dāng)V_GS增到V_TH以上時(shí)，R_DSON很快降減小，表明MOSFET溝道導(dǎo)通。當(dāng)V_GS進(jìn)一步增加，R_DSON下降比較來(lái)緩，因?yàn)闇系劳耆珜?dǎo)通，MOSFET導(dǎo)通電阻由其它的電阻組成部分決定。R_DSON隨溫度增加而增加，因?yàn)闇囟仍黾樱d流子運(yùn)動(dòng)能力降低，這是器件并聯(lián)工作的重要特性。

圖4: R_DSON對(duì)柵極偏置和溫度 

閾值電壓

閾值電壓V_GS(TH)定義為最小的柵極偏置電壓，此時(shí)，在源極和漏極間形成導(dǎo)通的溝道。對(duì)于功率MOSFET，通道在250uA的漏源極電流時(shí)測(cè)量。柵極氧化層厚度和溝道摻雜集中度用來(lái)控制閾值電壓。10-15V的驅(qū)動(dòng)電壓，其典型值設(shè)計(jì)為2-4V。使用CMOS技術(shù)縮減，功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以降到的2.5-4.5V。因此，這些應(yīng)用需要更低的閾值電壓1-2V。閾值電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)，溫度增加，閾值電壓降低。

跨導(dǎo)

跨導(dǎo)g_fs，定義為MOSFET的增益，可以用下面公式表示：

gfs=DIDS/DVGS =μCox W/LCH

通常在固定的V_DS，在飽和區(qū)測(cè)量。器件柵極寬度W，溝道長(zhǎng)度L_CH，活動(dòng)性μ，柵極電容C_OX，影響跨導(dǎo)值。溫度增加，跨導(dǎo)降低，因?yàn)檩d流子的活性降低。

第三象限工作

在DCDC的BUCK變換器中，功率MOSFET在第三象限工作很常見(jiàn)，電流流過(guò)下面N溝道的MOSFET，和第一象限比較，電流方向是反向的，施加的R_DSON相同。

在相對(duì)低的電流時(shí)，第三象限工作的導(dǎo)通特性和第一象限是對(duì)稱(chēng)的。因此可以假定兩種操作典型有相同的R_DSON。在大的電流和大的V_DS時(shí)，它們工作方式不同。當(dāng)V_DS接近體二極管的正向壓降時(shí)，體二極管開(kāi)始導(dǎo)通。因此，電流增加，不能看到電流飽和特性。

圖5: 第三象限工作    
 

4.電容

MOSFET的開(kāi)關(guān)特性受器件三個(gè)管腳的寄生電容的影響，也就是柵極源極電容C_GS，柵極漏極電容C_GD和漏極源極電容C_DS，如圖6所示。這些電容值是非線性的，和器件結(jié)構(gòu)，幾何特性和偏置電壓相關(guān)。

圖6: MOSFET寄生電容

開(kāi)通時(shí)，電容C_GD和C_GS 通過(guò)柵極充電，因此設(shè)計(jì)柵極的控制電路時(shí)必須考慮電容的變化。MOSFET的數(shù)據(jù)表提供的寄生電容參數(shù)，C_ISS，C_OSS,和C_RSS。

C_GD = C_RSS

C_GS = C_ISS ? C_RSS

C_DS = C_OSS ? C_RSS

C_RSS = 小信號(hào)反向傳輸電容。

C_ISS =小信號(hào)輸入電容，漏極和源極短路。

C_OSS =小信號(hào)輸出電容，柵極和源極短路。

MOSFET的電容是非線性的，是直流偏置電壓的函數(shù)。圖7示出了電容如何隨V_DS電壓增加而變化。所有的MOSFET的寄生電容來(lái)源于不依賴(lài)于偏置的氧化物電容和依賴(lài)于偏置的硅耗盡層電容的組合。當(dāng)電壓增加時(shí)，和V_DS相關(guān)電容的減小來(lái)源于耗盡層電容減小，耗盡層區(qū)域擴(kuò)大。

圖7b示出了當(dāng)V_GS電壓增加大于閾值電壓，V_DS電壓值低，MOSFET柵極電容也增加，因?yàn)镸OS溝道電子反形層形成，在溝漕底部形成電子聚集層。這也是為什么一旦電壓超過(guò)Q_GD階級(jí)，柵極電荷特性曲線的斜率增加的原因。

圖7a: 典型電容隨V_DS變化   圖7b: 典型輸入電容 C_iss隨 V_GS變化

5.柵極電荷

如果知道了柵極的驅(qū)動(dòng)電流，柵極電荷參數(shù)可以用來(lái)估算功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間。這只取決于器件的寄生電容。這個(gè)參數(shù)受漏極電流，電源電壓和溫度的影響較小。柵極電荷測(cè)試的原理圖和相關(guān)波形見(jiàn)圖8所示。在此電路中，恒定的柵極電流源I_g給測(cè)試器件的柵極充電，漏極電流I_D由外部提供。測(cè)量V_GS和柵極充電時(shí)間，可以直接表明漏極電流從0增加到I_D，同時(shí)，漏極電壓從V_DC減小完全導(dǎo)通電壓時(shí)，器件所消耗的能量。

在柵極電流開(kāi)通前，測(cè)試的器件承受的所有電源電壓V_DC，而V_GS電壓和漏極電流為0。一旦柵極電流Ig開(kāi)始流過(guò)，柵極源極電容C_GS和柵極漏極電容C_GD開(kāi)始充電，柵極到源極電壓開(kāi)始增加。充電的速度為I_G/C_ISS。當(dāng)V_GS電壓達(dá)到閾值電壓后，漏極電流開(kāi)始流過(guò)。柵極電壓開(kāi)始上升到平臺(tái)電壓V_GP (V_GSTH+I_D/g_FS)，而測(cè)試器件的電壓保持在電源電壓V_DC需要達(dá)到這種狀態(tài)的電荷Ig*time為Q_GS。當(dāng)漏極的電流到達(dá)I_D時(shí)，漏極的電壓開(kāi)始下降，此時(shí)，V_GS保持在恒定的V_GP值。柵極電流用來(lái)給電容C_GD充電，Ig= C_GD dV_DS/dt。當(dāng)V_DS接近導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，平臺(tái)階段結(jié)束。在平臺(tái)階段，注入的柵極電荷為Q_GD，通常用它來(lái)估算電壓轉(zhuǎn)換的時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。

下一步，測(cè)試器件的柵極繼續(xù)充電到最終的值，漏源極電壓變?yōu)?/span>R_DSON x I_D。柵源極電壓自由的上升，上升的斜率由柵極的充電電流和C_ISS決定,在V_GS>V_TH時(shí)，C_ISS更高，圖7b所示，導(dǎo)致在柵極電荷曲線上，更低的斜率，直到柵源極電壓達(dá)到最大值。這個(gè)柵極的電荷是所有柵極電荷Q_G。

圖8: 柵極電荷測(cè)試電路和波形 

6.柵極電阻

對(duì)于柵極的驅(qū)動(dòng)，功率MOSFET柵極呈現(xiàn)和RC網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似的阻抗。等效的電阻就是指柵極的電阻Rg。柵極的電阻由柵極多晶硅導(dǎo)體，金屬和連接結(jié)構(gòu)的電阻產(chǎn)生。連接結(jié)構(gòu)就是為了連接外部封裝的管腳，所布設(shè)的到焊盤(pán)的柵極信號(hào)線。

對(duì)于多晶硅柵極功率溝漕MOSFET，柵極的電阻取決于摻雜的程度和多晶硅材料的類(lèi)型（N或P型），柵極溝漕的幾何特性和器件設(shè)計(jì)的安排。對(duì)于同樣器件設(shè)計(jì)，N型溝漕功率MOSFET通常比P型有更低柵極電阻，因?yàn)樵诤线m摻雜的多晶硅中，N型具有更低的薄膜電阻。許多開(kāi)關(guān)器件最后要使用LCR儀，100%的測(cè)量Rg。

7.開(kāi)通和關(guān)斷

功率MOSFET數(shù)據(jù)表通常有阻性負(fù)載的開(kāi)關(guān)特性，取決于R_g，C_iss和C_rss。當(dāng)寄生的電感和柵極驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)因素影響到實(shí)際的測(cè)量時(shí)，可以檢查基本的物理特性。圖9示出了功率MOSFET阻性負(fù)載開(kāi)關(guān)測(cè)試電路和波形。

圖9:阻性負(fù)載開(kāi)關(guān)測(cè)試電路和波形

t_d(on) – 開(kāi)通延時(shí)時(shí)間,這個(gè)值是V_gs上升到超過(guò)10%的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)漏極電流上升到超過(guò)規(guī)定值的時(shí)間，在t_d(on)時(shí)刻，V_GS達(dá)到閾值電壓，這段時(shí)間由R_g C_iss時(shí)間常數(shù)數(shù)千決定。

t_r – 上升時(shí)間,這個(gè)值是漏極電流從10%負(fù)載電流上升到90%的負(fù)載電流時(shí)間，取決于V_TH，跨導(dǎo)g_FS和R_g C_rss時(shí)間常數(shù)。

t_d(off) –關(guān)斷延時(shí)時(shí)間,這個(gè)值是V_gs下降到90%的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)漏極電流下降到低于90%負(fù)載電流的時(shí)間，是電流開(kāi)始轉(zhuǎn)移到負(fù)載中的延時(shí)，取決于R_g C_iss。

tf – 下降時(shí)間,這個(gè)值是漏極電流從90%負(fù)載電流下降到10%的負(fù)載電流時(shí)間，取決于V_TH，跨導(dǎo)g_FS和R_g C_rss時(shí)間常數(shù)。

8.體二極管正向壓降

V_SD是集成的體內(nèi)二極管在施加一定的源極電流時(shí)，正向壓降的測(cè)量值。施加的源極電流典型值為1A，在數(shù)據(jù)表中，它和正向壓降的最大限制值一同定義。圖10示出了二極管在兩種溫度下的典型的正向I-V特性。對(duì)于AOS SRFET，典型的V_SD比通常的MOSFET要低，為0.4V。低的V_SD可以減小二極管導(dǎo)通時(shí)的功率損耗。因此，SRFET是DCDC變換器下管FET，以及其它要求體二極管導(dǎo)通一定時(shí)間的應(yīng)用的理想選擇。

圖10:體二極管正向特性 

9.體二極管反向恢復(fù)

當(dāng)二極管從導(dǎo)通狀態(tài)切換為關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，MOSFET的寄生體二極管產(chǎn)生反向恢復(fù)，因?yàn)榇鎯?chǔ)的少子電荷必須被清除，在器件內(nèi)部，或者通過(guò)負(fù)電流主動(dòng)的清除，或者通過(guò)復(fù)合被動(dòng)的清除。

在數(shù)據(jù)表中，有三個(gè)參數(shù)列出來(lái)表示二極管的反向恢復(fù)。

t_rr: 體二極管反向恢復(fù)時(shí)間。

I_RM: 體二極管反向峰值電流。

Q_rr: 體二極管反向恢復(fù)電荷，就是二極管電流波形的負(fù)電流部分的面積。

上面的參數(shù)隨著測(cè)試條件的變化而變化，如加的電壓V_DS和di/dt等。參數(shù)的定義和測(cè)試的電路如圖11所示。

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