MOSFET全稱“Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”，中文名“金屬-氧化物半導體場效應晶體管”。想必身為硬件工程師的大佬們都耳熟能詳了，畢竟從大學二年級就開始學習，然后平日工作中也會經(jīng)常用到。自1976年開發(fā)功率MOSFET以來，隨著半導體工藝技術的發(fā)展，它的性能不斷的提高：如高功率MOSFET的工作電壓達到幾百伏，低導通電阻MOSFET其阻值僅幾毫歐姆，還有最近幾年很火的第三代SIC寬禁帶半導體等，MOSFET技術和工藝逐步優(yōu)化。MOSFET作為最常用的功率開關器件，在大多數(shù)場合下，它的成本和導通損耗與雙極型晶體管相當，但是其開關速度卻快5-10倍，它在設計中也比較容易使用?？梢赃@么說吧，沒有MOSFET的發(fā)明與發(fā)展，就沒有現(xiàn)代電子信息技術的今天。
在電源技術中，MOSFET更是必不可少，下面我就從一個電源工程師的角度出發(fā)，總結一下MOSFET的一些常用參數(shù)，偏應用一些，不是非常深入，希望可以和各位工程師大佬們分享知識，互通有無。
圖1. MOSFET示意圖
如上圖1所示為MOSFET的示意圖，目前它的分類可以簡單描述如下：
- （1） 按照導電溝道分可以分為N溝道和P溝道
- （2） 按照G極電壓幅值分可以分為耗盡型和增強型
- （3） 按照溝道方向分可以分為平面型和垂直型
- （4） 按照功率分可分為功率型和信號型
在電源設計中，MOSFET通常工作在開關狀態(tài)，所以它也經(jīng)常被稱作“開關管”，而且功率通常較大，實際應用中，使用最多最廣泛的還是要數(shù)N溝道增強型功率MOSFET。也就是說在柵源電壓VGS達到一個閾值時候，它才會被打開。下面是它內(nèi)部的一個構造，實際應用中不會用到很多，所以把圖片放在下面，就不詳細介紹了。
圖2.垂直型（左）和平面型（右）MOSFET的內(nèi)部結構
MOSFET的類型多種多樣，但其主要參數(shù)是類似的，我把它們總結如下：
- （1） BVDSS(V)：漏源電壓飽和電流Isat
BVDSS被外延片的電阻率和厚度所決定。如圖1中所示，BVDSS被測量在源極與柵極短接且漏極與源極為一個反向偏置的典型電路中。與雙極型晶體管不同，這里不存在有二次擊穿效應。
圖3.BVdss測試條件示意圖
一些應用中常用到高壓MOSFET，MOSFET的BVDSS在一個時期的一定時間后可能下降，因此為了防止這種現(xiàn)象，設計系統(tǒng)可能被設計了足夠的BVDSS的增益；另一種預防的辦法是經(jīng)常被使用的比BVDSS的電壓低一個等級的鉗位二極管。當然結溫度的升高也會引起B(yǎng)VDSS電壓的增高。
- （2） Irms ID(A)@25℃:漏極電流
最大電流就是器件工作在環(huán)境溫度為25攝氏度的值。這個參量受以下參數(shù)的影響（如圖4）：
- ① RDS(on)：導通電阻
- ② Pd：最大的封裝損耗功率
- ③ 管芯尺寸
- ④ 最大的結溫度
圖4.漏極電流與環(huán)境溫度圖
- （3） IDM(A):漏極脈沖電流
IDM(A)被定義為器件在工作中受到不連續(xù)的250微秒脈沖沖擊時的最大電流。通?；贗D(A)的漏極脈沖電流有四次。IDM(A)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，它的特性被靜態(tài)的VDS-ID轉(zhuǎn)移曲線的數(shù)據(jù)段所顯示。IDM(A)受下列器件參數(shù)的影響：
①Rds(on)
②Pd(max)
③焊線的線直徑
④管芯尺寸，最大的結溫度
- （4） VGS(V)：柵源電壓
柵極氧化層的隔離電壓VGS通常在數(shù)據(jù)表中被定義在邏輯型為20伏以及標準型為30伏。在實際應用中所提供的外加電壓超過Vgs(V)將引起器件的失效，因此具有保護功能的器件必須加在柵極和源極之間
- （5） Eas(mJ)：單脈沖雪崩擊穿能量
雙極型晶體管不同MOSFET有很快的開關速度以及在使用MOSFET時通過減少開關時間來提高系統(tǒng)效率，因此應該考慮柵極驅(qū)動條件以獲取更快的速度。在開關關斷瞬間MOSFET的關斷電壓(VDS)的斜率迅速增加。當MOSEFT工作在有感應負載但沒有鉗位電路的條件下，VDS的電壓斜率增加到器件損壞的水平則感應器中充滿的能量將放電給MOSFET的寄生二極管。這種引起MOSFET的失效的能量就稱為Eas(mJ)，單脈沖雪崩擊穿能量。雪崩電流值的變化隨脈沖的寬度而變化，受器件的熱電阻和最大的結溫度所限制。
例如附加的齊納二極管。對于標準型，器件的柵極加至10V左右使MOSFET完全開啟。(RDS(on)最優(yōu)化狀態(tài))
圖5. MOSFET的雪崩擊穿波形
- （6） PD(W)：功率損耗
這個是在器件確定TC=25℃時的最大功率損耗，這取決于封裝的類型和管芯的尺寸 (熱電阻主要取決于Rthj-c) 。
- （7） 熱電阻
功率MOSFET必須在熱電阻所限制的范圍內(nèi)工作，而且它的結的溫度不能超過150℃或175℃。(根據(jù)數(shù)據(jù)表格提供)這個參數(shù)表征的是從芯片的結所散發(fā)出的熱的能力，它非常重要的原因是因為它決定了功率MOSFET最大功率值或ID(A)。熱電阻主要取決于封裝類型，管芯大小，引線框架材料和導通電阻RDS(on)。這個值越低，則其散熱性越好。
圖6. MOSFET的熱阻分解圖
- （8） 開啟電壓
VGS(th)是最小的柵極開啟MOSFET電壓，其測量是在ID=250微安。VGS(th) 主要取決于柵極氧化層的厚度。標準類型的MOSFET是200V至900V，其VGS(th)為2V至4V，而100V的邏輯型的MOSFET，其VGS(th)其1V為2V。
- （9） IGSS/IDSS：柵源漏電流/漏源漏電流
IGSS：IGSS是當VGS(max)作用于器件時短接漏極從柵極流向源極的漏電流，其受管芯尺寸，層的厚度以及整合度影響。一般，其值低于100納安的特定值。
IDSS：IDSS是當VDS(max)作用于器件時短接柵極從漏極流向源極的漏電流，其值等于反向偏置的二極管的電流。
- （10） RDS(on)：靜態(tài)漏源開啟電阻
RDS(on) 是當器件在VGS=5V或者VGS=10V器件開啟時漏源之間的電阻，其在設計時必須考慮最大的結溫度以及最壞的條件。MOSFET有當RDS(on)增加時漏極電流增大的特性，如圖7中所示。
圖7. 開啟狀態(tài)電阻與溫度關系圖
存在一個絕對溫度系數(shù)當RDS(on)增加時，溫度也會升高，以及在并行工作時通過電流分流達到工作狀態(tài)的穩(wěn)定 (如圖9所示) 。
圖8. 開啟狀態(tài)電阻與漏極電流關系圖
除上述特性外，MOSFET還有一些交流特性，主要通過內(nèi)部寄生電容表征。其定義如下：
Ciss(輸入電容)=gd+Cgs
Coss(輸出電容)=Cgd((Cgs*Cgd)/Cgd+Cgs)+Cds
Crss(反向轉(zhuǎn)移電容)=Cgd
圖9.MOSFET寄生電容
- 1) Cgs(柵源電容)
這個電容主要取決于柵極氧化層的厚度，并且Cgs的不同也隨VDS的不同而小于Cgd或Cds。
- 2) Cgd(柵漏電容)
這個電容取決于管芯尺寸，MOSFET結構以及隨Vds成非線性變化。它就像一個米勒電容在輸入與輸出間形成一個反饋回路。
- 3) Cds(漏源電容)
Cds取決于寄生二極管的結損耗以及與1/√Vds成比例，因此其隨Vds的迅速增加而迅速增加Cgd這個決定了MOSFET開關特性的參數(shù)是一個最重要的參數(shù)。
但實際應用中寄生電容參數(shù)不夠直接，因此通常還會給出柵極電荷：總共的柵極電荷(Qg)，柵源電荷(Qgs)，柵漏電荷(Qgd)等參數(shù)。
最后，介紹一下MOSFET的開啟過程：
（1）t0~t1：直到VGS達到開啟電壓VGS(th)的電壓，或直至MOSFET開啟的這段時間。
（2）t1~t2：當漏極開始有電流流過，此時VGS增加至CGS 被完全充電以及漏極電流增加。
（3）t2~t3：CGS被完全充電，此時漏極電流維持一個常數(shù)不變以及VDS開始增加到零電位。在這個期間，由于t2~t3之間的VDS的快速增加使CGD的充電時間長于CGS的充電時間。
（4）t3~t4：在CGD被完全充電之后直至輸入電壓使VGS被放電的時期。整個過程如下圖10所示：
圖10.MOSFET開啟過程示意圖
以上就是這篇文章的內(nèi)容，介紹了構成開關電源的重要元器件——MOSFET的一些基本知識和重要參數(shù)，其實還有MOSFET器選型過程中的注意事項還沒有介紹，打算以后結合開關電源的設計再加以補充~