MOSFET全稱“Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”，中文名“金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(xué)二年級(jí)就開始學(xué)習(xí)，然后平日工作中也會(huì)經(jīng)常用到。自1976年開發(fā)功率MOSFET以來，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，它的性能不斷的提高：如高功率MOSFET的工作電壓達(dá)到幾百伏，低導(dǎo)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(dǎo)體等，MOSFET技術(shù)和工藝逐步優(yōu)化。MOSFET作為最常用的功率開關(guān)器件，在大多數(shù)場(chǎng)合下，它的成本和導(dǎo)通損耗與雙極型晶體管相當(dāng)，但是其開關(guān)速度卻快5-10倍，它在設(shè)計(jì)中也比較容易使用。可以這么說吧，沒有MOSFET的發(fā)明與發(fā)展，就沒有現(xiàn)代電子信息技術(shù)的今天。

在電源技術(shù)中，MOSFET更是必不可少，下面我就從一個(gè)電源工程師的角度出發(fā)，總結(jié)一下MOSFET的一些常用參數(shù)，偏應(yīng)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(shí)，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(dǎo)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(qiáng)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(hào)型

在電源設(shè)計(jì)中，MOSFET通常工作在開關(guān)狀態(tài)，所以它也經(jīng)常被稱作“開關(guān)管”，而且功率通常較大，實(shí)際應(yīng)用中，使用最多最廣泛的還是要數(shù)N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET。也就是說在柵源電壓VGS達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)候，它才會(huì)被打開。下面是它內(nèi)部的一個(gè)構(gòu)造，實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)用到很多，所以把圖片放在下面，就不詳細(xì)介紹了。

圖2.垂直型（左）和平面型（右）MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(jié)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(cè)量在源極與柵極短接且漏極與源極為一個(gè)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(yīng)。

圖3.BVdss測(cè)試條件示意圖

一些應(yīng)用中常用到高壓MOSFET，MOSFET的BVDSS在一個(gè)時(shí)期的一定時(shí)間后可能下降，因此為了防止這種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可能被設(shè)計(jì)了足夠的BVDSS的增益；另一種預(yù)防的辦法是經(jīng)常被使用的比BVDSS的電壓低一個(gè)等級(jí)的鉗位二極管。當(dāng)然結(jié)溫度的升高也會(huì)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(gè)參量受以下參數(shù)的影響（如圖4）：

• ① RDS(on)：導(dǎo)通電阻
• ② Pd：最大的封裝損耗功率
• ③ 管芯尺寸
• ④ 最大的結(jié)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(shí)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)型為30伏。在實(shí)際應(yīng)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(hù)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(guān)速度以及在使用MOSFET時(shí)通過減少開關(guān)時(shí)間來提高系統(tǒng)效率，因此應(yīng)該考慮柵極驅(qū)動(dòng)條件以獲取更快的速度。在開關(guān)關(guān)斷瞬間MOSFET的關(guān)斷電壓(VDS)的斜率迅速增加。當(dāng)MOSEFT工作在有感應(yīng)負(fù)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(yīng)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(jié)溫度所限制。

  例如附加的齊納二極管。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(gè)是在器件確定TC=25℃時(shí)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(jié)的溫度不能超過150℃或175℃。(根據(jù)數(shù)據(jù)表格提供)這個(gè)參數(shù)表征的是從芯片的結(jié)所散發(fā)出的熱的能力，它非常重要的原因是因?yàn)樗鼪Q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(dǎo)通電阻RDS(on)。這個(gè)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(cè)量是在ID=250微安。VGS(th) 主要取決于柵極氧化層的厚度。標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)VGS(max)作用于器件時(shí)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(dāng)VDS(max)作用于器件時(shí)短接?xùn)艠O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(dāng)器件在VGS=5V或者VGS=10V器件開啟時(shí)漏源之間的電阻，其在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮最大的結(jié)溫度以及最壞的條件。MOSFET有當(dāng)RDS(on)增加時(shí)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(guān)系圖

存在一個(gè)絕對(duì)溫度系數(shù)當(dāng)RDS(on)增加時(shí)，溫度也會(huì)升高，以及在并行工作時(shí)通過電流分流達(dá)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(guān)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(gè)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(gè)電容取決于管芯尺寸，MOSFET結(jié)構(gòu)以及隨Vds成非線性變化。它就像一個(gè)米勒電容在輸入與輸出間形成一個(gè)反饋回路。

• 3) Cds(漏源電容)

Cds取決于寄生二極管的結(jié)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(gè)決定了MOSFET開關(guān)特性的參數(shù)是一個(gè)最重要的參數(shù)。

但實(shí)際應(yīng)用中寄生電容參數(shù)不夠直接，因此通常還會(huì)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(dá)到開啟電壓VGS(th)的電壓，或直至MOSFET開啟的這段時(shí)間。

（2）t1~t2：當(dāng)漏極開始有電流流過，此時(shí)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(shí)漏極電流維持一個(gè)常數(shù)不變以及VDS開始增加到零電位。在這個(gè)期間，由于t2~t3之間的VDS的快速增加使CGD的充電時(shí)間長于CGS的充電時(shí)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(shí)期。整個(gè)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(gòu)成開關(guān)電源的重要元器件——MOSFET的一些基本知識(shí)和重要參數(shù)，其實(shí)還有MOSFET器選型過程中的注意事項(xiàng)還沒有介紹，打算以后結(jié)合開關(guān)電源的設(shè)計(jì)再加以補(bǔ)充~