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一文帶你讀懂MOSFET

發(fā)布時(shí)間：2019-05-30 責任編輯：lina

【導讀】MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著(zhù)氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應來(lái)控制半導體（S）的場(chǎng)效應晶體管。
 
什么是MOSFET
MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著(zhù)氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應來(lái)控制半導體（S）的場(chǎng)效應晶體管。
 
功率MOSFET的結構
功率MOSFET的內部結構和電氣符號如圖所示，它可分為 NPN型和PNP型。NPN型通常稱(chēng)為N溝道型，PNP型通常稱(chēng)P溝道型。由圖1可看出，對于N溝道型的場(chǎng)效應管其源極和漏極接在N型半導體上，同樣對于P 溝道的場(chǎng)效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場(chǎng)效應管，其輸出電流是由輸入的電壓(或稱(chēng)場(chǎng)電壓)控制，可以認為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱(chēng)之為場(chǎng)效應管的原因。
 
一文帶你讀懂MOSFET
 
功率MOSFET的工作原理
截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。
 
導電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì )有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì )將其下面P區中的空穴推開(kāi)，而將P區中的少子—電子吸引到柵極下面的P區表面
 
當UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。
 
功率MOSFET的基本特性
靜態(tài)特性：其轉移特性和輸出特性如圖2所示。
 
一文帶你讀懂MOSFET
 
漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉移特性，ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線(xiàn)性，曲線(xiàn)的斜率定義為跨導Gfs。
 
MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區（對應于GTR的截止區）；飽和區（對應于GTR的放大區）；非飽和區（對應于GTR的飽和區）。電力 MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區和非飽和區之間來(lái)回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導通。電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數，對器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。
 
動(dòng)態(tài)特性：
其測試電路和開(kāi)關(guān)過(guò)程波形如圖3所示。
 
一文帶你讀懂MOSFET
 
td(on)導通延時(shí)時(shí)間——導通延時(shí)時(shí)間是從當柵源電壓上升到10%柵驅動(dòng)電壓時(shí)到漏電流升到規定電流的10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。
 
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。
 
iD穩態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩態(tài)值有關(guān)，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續升高直至達到穩態(tài)，但iD已不變。
 
開(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。
 
td(off)關(guān)斷延時(shí)時(shí)間——關(guān)斷延時(shí)時(shí)間是從當柵源電壓下降到90%柵驅動(dòng)電壓時(shí)到漏電流降至規定電流的90%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。這顯示電流傳輸到負載之前所經(jīng)歷的延遲。
 
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。
 
關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。
 
理解MOSFET的幾個(gè)常用參數
VDS，即漏源電壓，這是MOSFET的一個(gè)極限參數，表示MOSFET漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。需要注意的是，這個(gè)參數是跟結溫相關(guān)的，通常結溫越高，該值最大。
 
RDS(on)，漏源導通電阻，它表示MOSFET在某一條件下導通時(shí)，漏源極之間的導通電阻。這個(gè)參數與MOSFET結溫，驅動(dòng)電壓Vgs相關(guān)。在一定范圍內，結溫越高，Rds越大;驅動(dòng)電壓越高，Rds越小。
 
Qg，柵極電荷，是在驅動(dòng)信號作用下，柵極電壓從0V上升至終止電壓(如15V)所需的充電電荷。也就是MOSFET從截止狀態(tài)到完全導通狀態(tài)，驅動(dòng)電路所需提供的電荷，是一個(gè)用于評估MOSFET的驅動(dòng)電路驅動(dòng)能力的主要參數。
 
Id，漏極電流，漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據工作電流的形式有，連續漏級電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulsed drain current)。這個(gè)參數同樣是MOSFET的一個(gè)極限參數，但此最大電流值并不代表在運行過(guò)程中漏極電流能夠達到這個(gè)值。它表示當殼溫在某一值時(shí)，如果MOSFET工作電流為上述最大漏極電流，則結溫會(huì )達到最大值。所以這個(gè)參數還跟器件封裝，環(huán)境溫度有關(guān)。
 
Eoss，輸出容能量，表示輸出電容Coss在MOSFET存儲的能量大小。由于MOSFET的輸出電容Coss有非常明顯的非線(xiàn)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，對于評估MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗很有幫助。并非所有的MOSFET手冊中都會(huì )提供這個(gè)參數，事實(shí)上大部分datasheet并不提供。
 
Body Diode di/dt 體二極管的電流變化率，它反應了MOSFET體二極管的反向恢復特性。因為二極管是雙極型器件，它受到電荷存儲的影響，當二極管反向偏置時(shí)，PN結儲存的電荷必須清除，上述參數正是反應這一特性的。
 
Vgs，柵源極最大驅動(dòng)電壓，這也是MOSFET的一個(gè)極限參數，表示MOSFET所能承受的最大驅動(dòng)電壓，一旦驅動(dòng)電壓超過(guò)這個(gè)極限值，即使在極短的時(shí)間內也會(huì )對柵極氧化層產(chǎn)生永久性傷害。一般來(lái)說(shuō)，只要驅動(dòng)電壓不超過(guò)極限，就不會(huì )有問(wèn)題。但是，某些特殊場(chǎng)合，因為寄生參數的存在，會(huì )對Vgs電壓產(chǎn)生不可預料的影響，需要格外注意。
 
SOA，安全工作區，每種MOSFET都會(huì )給出其安全工作區域，不同雙極型晶體管，功率MOSFET不會(huì )表現出二次擊穿，因此安全運行區域只簡(jiǎn)單從導致結溫達到最大允許值時(shí)的耗散功率定義。
 
功率MOSFET的選型原則
了解了MOSFET的參數意義，如何根據廠(chǎng)商的產(chǎn)品手冊表選擇滿(mǎn)足自己需要的產(chǎn)品呢？可以通過(guò)以下四步來(lái)選擇正確的MOSFET。
 
1） 溝道的選擇　　
 
為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道 MOSFET.在典型的功率應用中，當一個(gè)MOSFET接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOSFET就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝 道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道 MOSFET,這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮?！?/div>
 
2） 電壓和電流的選擇　　
 
額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實(shí)踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線(xiàn)電壓或 總線(xiàn)電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會(huì )失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS.設計工程 師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設備（如電機或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源 為20~30V、85~220VAC應用為450~600V.　　在連續導通模式下，MOSFET處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電 涌（或尖峰電流）流過(guò)器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可?！?/div>
 
3） 計算導通損耗　　
 
MOSFET器件的 功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì )隨之按比例變化。對便攜式設計來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易 （較為普遍），而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供 的技術(shù)資料表中查到?！?/div>
 
4） 計算系統的散熱要求　　
 
設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這 個(gè)結果提供更大的安全余量，能確保系統不會(huì )失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最 大的結溫。
 
開(kāi)關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)很重要的指標。導通瞬間的電壓電流乘積相當大，一定程度上決定了器件的開(kāi)關(guān)性能。不過(guò)，如果系統對開(kāi)關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。
 
 
 
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