|
作者：antonine MOSFET，中文名金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。 MOSFET依照導(dǎo)電載流子極性不同，可分為N溝道型與P溝道型的MOSFET;根據(jù)導(dǎo)電溝道形成機(jī)理的不同，N溝道和P溝道MOS管又各有增強(qiáng)型與耗盡型兩種，因此MOSFET共有四種類型。 從字面上看，MOSFET名字里面首字母是“金屬(Metal)”，容易給人錯(cuò)誤的印象，事實(shí)上目前的大部分此類元件里面是不存在金屬的，早期的MOSFET的柵極使用金屬做為材料，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，隨后MOSFET柵級(jí)使用多晶硅取代了金屬。 由于MOSFET的應(yīng)用范圍非常廣泛，本文主要討論功率MOSFET、小功率MOSFET等單體MOSFET的工作原理與使用等。由于實(shí)際電路設(shè)計(jì)中以N溝道增強(qiáng)型MOSFET使用最廣泛，下文以N溝道增強(qiáng)型為例進(jìn)行介紹。 主要參數(shù) 由于篇幅限制，通常模擬電子技術(shù)或電力電子技術(shù)類的教材中對(duì)MOSFET的介紹比較簡(jiǎn)單，使很多朋友對(duì)MOSFET的一些技術(shù)參數(shù)不太了解，下面以英飛凌公司IPP60R099為例介紹MOSFET主要技術(shù)參數(shù)。 N溝道MOSFET的簡(jiǎn)圖如下圖左圖所示，其包含寄生參數(shù)的等效結(jié)構(gòu)模型如右圖所示。這個(gè)結(jié)構(gòu)模型主要由壓控電流源、體二極管、三個(gè)寄生電容(Cgs, Cgd, Cds)、以及寄生電阻、寄生電感構(gòu)成。 
打開(kāi)器件datasheet首先看到的是下表的關(guān)鍵性能指標(biāo)參數(shù)表，顯然這幾個(gè)參數(shù)是設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
這些參數(shù)包括： VDS，即漏源電壓，這是MOSFET的一個(gè)極限參數(shù)，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(shù)是跟結(jié)溫相關(guān)的，通常結(jié)溫越高，該值最大。具體數(shù)值可查閱datasheet中的圖表。 RDS(on)max，漏源導(dǎo)通電阻，它表示MOSFET在某一條件下導(dǎo)通時(shí)，漏源極之間的導(dǎo)通電阻。這個(gè)參數(shù)與MOSFET結(jié)溫，驅(qū)動(dòng)電壓Vgs相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，結(jié)溫越高，Rds越大;驅(qū)動(dòng)電壓越高，Rds越小。IPP60R099的導(dǎo)通電阻特性如下圖所示。
Qg，柵極電荷，是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)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?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電路所需提供的電荷，是一個(gè)用于評(píng)估MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力的主要參數(shù)。 Id，漏極電流，漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據(jù)工作電流的形式有，連續(xù)漏級(jí)電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulsed drain current)。這個(gè)參數(shù)同樣是MOSFET的一個(gè)極限參數(shù)，但此最大電流值并不代表在運(yùn)行過(guò)程中漏極電流能夠達(dá)到這個(gè)值。它表示當(dāng)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(jié)溫會(huì)達(dá)到最大值。所以這個(gè)參數(shù)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(chǔ)的能量大小。由于MOSFET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MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗很有幫助。并非所有的MOSFET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。
Body Diode di/dt 體二極管的電流變化率，它反應(yīng)了MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性。因?yàn)槎䴓O管是雙極型器件，它受到電荷存儲(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)正是反應(yīng)這一特性的。IPP60R099C6主要用于諧振電源設(shè)計(jì)，所以體二極管的反向恢復(fù)速度是一個(gè)重要性能指標(biāo)，英飛凌CoolMOS的C6系列對(duì)于開(kāi)關(guān)管的體二極管性能做了優(yōu)化。 除上述關(guān)鍵參數(shù)外，MOSFET還有幾個(gè)參數(shù)是非常重要的。 Vgs，柵源極最大驅(qū)動(dòng)電壓，這也是MOSFET的一個(gè)極限參數(shù)，表示MOSFET所能承受的最大驅(qū)動(dòng)電壓，一旦驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)這個(gè)極限值，即使在極短的時(shí)間內(nèi)也會(huì)對(duì)柵極氧化層產(chǎn)生永久性傷害。一般來(lái)說(shuō)，只要驅(qū)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?yàn)榧纳鷧?shù)的存在，會(huì)對(duì)Vgs電壓產(chǎn)生不可預(yù)料的影響，需要格外注意。 SOA，安全工作區(qū)，每種MOSFET都會(huì)給出其安全工作區(qū)域，不同雙極型晶體管，功率MOSFET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。如下圖為IPP60R099C6的安全工作區(qū)，這一區(qū)域受有限的沁源電壓和有限的電流值及不同脈沖周期的恒定功率曲線所限制。這里都是以殼溫為25度例。
|
