耗尽型mosfet的研究方向（参数及米勒效应全解）

1MOSFET基本工作原理

1.1小功率MOSFET

场效应管（FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，由于紧靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管分为结型和绝缘栅两种，因为绝缘栅型晶体管（MOSFET，下面简称MOS管）的栅源间电阻比结型大得多且比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，因而目前普遍采用绝缘栅型晶体管。

MOS管分为N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种，只要栅极-源极电压uGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，只要栅极-源极电压uGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管，这样就形成了四种类型。但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免。漏极和源极之间有一个寄生二极管，叫体二极管，在驱动感性负载(如电机)，这个二极管很重要。体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。N沟道增强型MOS管如下图所示：

图1 N沟道增强型MOSFET结构示意图及符号

N沟道增强型MOS管基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。当uGS＝0V时，，由于SiO2的存在，栅极电流为0。但是栅极金属层将聚集正电荷，他们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流（如下图所示）。

图2 沟道的形成

当栅极加有电压时，若0<uGS<UGS(th)（UGS(th)称为开启电压）时，一方面耗尽层加宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层和绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压就是开启电压UGS(th)。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。当uGS较小时，将衬底的自由电子吸引到耗尽层和绝缘层之间的数量还非常少，不足以形成漏极电流iD。

进一步增加uGS，当uGS>UGS(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏-源电压，就可以形成漏极电流iD。在uDS较小的时候，uDS的增大使得iD线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄。一旦uDS增大到使uGD=UGS(th)（即uDS=uGS-UGS(th)）时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断。如果uDS继续增大，夹断区随之延长，而且uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外部看，iD几乎不因uDS的增大而变化，管子进入恒流区，iD几乎仅决定于uGS。在uDS>uGS-UGS(th)时，对应的每一个uGS就有一个确定的iD。此时，可以将iD视为电压uGS控制的电流源。

iD与uGS的近似关系式为：

式中，ID0是uGS=2UGS(th)时的iD。

在uGS＝0V时iD＝0，只有当uGS>UGS(th)后才会出现漏极电流，所以,这种MOS管称为增强型MOS管，如下图所示：

图3 uGS>UGS(th)时iD受uDS影响

uGS对漏极电流的控制关系可用转移特性曲线描述，转移特性曲线如下图b所示，转移特性曲线的斜率的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。

图4 MOSFET特性曲线

上图a称为输出特性曲线，曲线中在uGS=2V的曲线下方可以成为截止区，该区域的情况是uGS还没有到达导电沟道导通电压，整个MOS管还没有开始导电。

可变电阻区又称为放大区，在uDS一定的的情况下iD的大小直接受到uGS的控制，且基本为线性关系。注意三极管中的放大区和MOS管的放大区有很大区别，不能觉得是相似的。

恒流区又称为饱和区，此时iD大小只受到uGS的控制，uDS变化过程中iD的大小不变。

1.2 电力MOSFET

小功率MOS都是横向导电器件，当MOS管工作在恒流区时，管子的耗散功率主要消耗在漏极一端的夹断区上，并且由于漏极所连接的区域（称为漏区）不大，无法散发很多的热量，所以MOS管不能承受较大的功率。为了解决这个问题，垂直导电结构应运而生。目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称之为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。电力MOSFET结构图如下图所示。

图5 N沟道增强型电力MOSFE结构示意图及符号

电力MOSFET的工作原理与小功率MOSFET相同，这里不再赘述，当时相对应的夹断区、恒流区和可变电阻区变为了截止区、饱和区和非饱和区（静态特性曲线如下图所示）。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区来回切换。由上面小功率MOSFET工作原理可知，在uDS>uGS-UGS(th)时，对应的每一个uGS就有一个确定的iD。此时，可以将iD视为电压uGS控制的电流源。所以电力MOSFET又称为电压控制电流器件，输入阻抗极高，输入电流非常小。

图6 电力MOSFE特性曲线

转移特性曲线是指漏极电流iD和栅-源间电压uGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系。当iD较大时，iD与uGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，即

2 参数介绍

下面将以某品牌的低压MOSFET为例，对MOSFET的数据参数进行详细介绍

2.1 绝对最大参数

表1 MOSFET绝对最大参数

ID：最大漏源电流。是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。MOSFET的工作电流不应超过ID。此参数会随结温度的上升而有所减小。该参数为结与管壳之间额定热阻RthJC和管壳温度的函数。

上面两式合并，求解ID，可得：

ID，pulse：最大脉冲漏源电流。

图7 ID随温度变化曲线

反映了器件可以处理的脉冲电流的高低 ，此参数会随结温度的上升而有所减小。定义ID，pulse的目的在于：在非饱和区，对于一定的栅-源电压，MOSFET导通后，存在最大的漏极电流。如下图所示，对于给定的一个栅-源电压，如果工作点位于非饱和区域内，漏极电流的增大会提高漏-源电压，由此增大导通损耗。长时间工作在大功率之下，将导致器件失效。因此，在典型栅极驱动电压下，需要将额定ID，pulse设定在区域之下。区域的分界点在uGS和曲线（图中红色）相交点。

规格书中会定义最大持续漏极电流和最大脉冲电流。一般规格书中最大脉冲电流会定义在最大持续电流的4倍，并且随着脉冲宽度的增加，最大脉冲电流会随之减少，主要原因就是MOSFET的温度特性。从上图（b）可以看出，最大持续漏极电流除了受到封装的限制，还与温度关系密切。需要指出得是上面提到的最大持续漏极电流ID中并不包含开关损耗，并且实际使用时表面温度也很难保持在25℃，因此，实际应用中最大的开关电流通常小于ID额定值（25℃下的值）的一半，通常在1/3～1/4。

EAS：单脉冲雪崩击穿能量：如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值，其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。

表2 单脉冲雪崩击穿能量

EAR：重复雪崩能量。在很多MOSFET规格书上，还会注明EAR。重复雪崩能量已经成为“工业标准”，但是在没有设定频率，其它损耗以及冷却量的情况下，该参数没有任何意义。散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量。对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。该定义的前提条件是：不对频率做任何限制，从而器件不会过热，这对于任何可能发生雪崩击穿的器件都是现实的。

VGS：最大栅源电压。是指栅源间反向电流开始急剧增加时的VGS值

表3 最大栅源电压

Ptot：最大耗散功率（又写做PD）。在保证MOSFET性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于Ptot并留有一定余量。此参数一般会随结温度的上升而有所减小。

表4 最大耗散功率

RthJC：结到管壳的热阻。热阻是从芯片的表面到器件外部之间的电阻，功率损失的结果是使器件自身产生热量，热阻就是要将芯片产生的热量和功耗联系起来。注意ATP的热阻测试显示管壳的塑料部分与金属部分的温度相同。最大的RthJC值留有一定的裕度以应对生产工艺的变化。由于制作工艺的提高，工业上趋向于减小最大RthJC和典型值之间的裕度。通常情况下这个裕度的值不会公布。

ZthJC结到管壳瞬态热阻抗。瞬态热阻抗主要考虑的是器件的热容，所以它可以用做评估由于瞬态功率损失所产生的当前的温度。

RthJA：归算到环境温度的功率损耗热阻。

表5 MOSFET热阻

MOSFET的功率损耗主要受限于MOSFET的结温，基本原则就是任何情况下，结温不能超过规格书里定义的最高温度。而结温是由环境温度和MOSFET自身的功耗决定的。下图是典型的功率损耗与MOSFET表面结温的曲线图。

图8 MOSFET热阻随温度变化曲线

一般MOSFET的规格书里面会定义两个功率损耗参数，一个是归算到芯片表面的功率损耗RthJC，另一个是归算到环境温度的功率损耗RthJA。

重点强调一点，与功耗温度曲线密切相关的重要参数热阻，是材料和尺寸或者表面积的函数。随着结温的升高，允许的功耗会随之降低。根据最大结温和热阻，可以推算出MOSFET可以允许的最大功耗。归算到环境温度的热阻是布板，散热片和散热面积的函数，如果散热条件良好，可以极大提升MOSFET的功耗水平。特别指出，如果采用热阻RthJA的话可以估算出特定温度下的ID，这个值更有现实意义。

Tj：最大工作结温。通常为150℃或175℃，器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度，并留有一定裕量。

Tstg：存储温度范围。

表6 MOSFET存储温度

2.2 静态电气参数

表7 MOSFET静态参数

V（BR）DSS：漏源击穿电压。是指栅源电压VGS为0时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。加在场效应管上的工作电压必须小于V（BR）DSS。V（BR）DSS随温度变化关系如下图所示，它具有正温度特性。故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑。

图9 V（BR）DSS随温度变化关系

VGS（th）：就是前面基本原理讲的开启电压（阀值电压）。当外加栅极控制电压uGS超过VGS（th）时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中，常将漏极短接条件下ID等于1毫安时的栅极电压称为开启电压。此参数一般会随结温度的上升而有所降低。

图10 VGS（th）随温度变化关系

IDSS：饱和漏源电流，栅极电压uGS=0、uDS为一定值时的漏源电流。一般在微安级。

IGSS：栅源驱动电流或反向电流。由于MOSFET输入阻抗很大，IGSS一般在纳安级。

表8 静态电流

RDS（on）：在特定的uGS（一般为10V）、结温及漏极电流的条件下，MOSFET导通时漏源间的最大阻抗。它是一个非常重要的参数，决定了MOSFET导通时的消耗功率。此参数一般会随结温度的上升而有所增大。故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算。

图11 RDS（on）随ID变化关系

RG：栅极等效输入电阻。

Gfs：跨导。是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比，是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。在转移特性曲线中，

。从下图转移特性曲线可以看出，温度不同，VGS（th）不同，相应的跨导差别很大。

表9 MOSFET的跨导

图12 MOSFET转移特性曲线

2.3 动态电气特性

表10 MOSFET动态特性

Ciss：输入电容，将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容 。Ciss是由栅漏电容CGD和栅源电容CGS并联而成，或者Ciss=CGD CGS（CGD为栅-漏极间电容，CGS为栅-源极间电容）。当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启，放电致一定值时器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。

Coss：输出电容，将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容。Coss是由漏源电容CDS和栅漏电容CGD并联而成，或者Coss=CDS CGD（CDS为漏-源极间电容）。Coss非常重要，可能引起电路的谐振。

Crss：反向传输电容，在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容，反向传输电容等同于栅漏电容，Crss=CGD。对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数。输入电容、输出电容和反向传输电容随uDS变化关系如下图所示。

图13 MOSFET寄生电容随VDS变化曲线

td（on）：导通延迟时间。从有输入电压上升到10%开始到uDS（out）下降到其幅值90%的时间(如下图示)。

tr：上升时间。输出电压uDS（out）从90%下降到其幅值10%的时间。

Td（off）：关断延迟时间。输入电压下降到90%开始到uDS（out）上升到其关断电压时10%的时间。

tf：下降时间。输出电压 uDS（out）从10%上升到其幅值90%的时间，参照下图所示。

表11 MOSFET开通关断时间

图14 MOSFET开通关断时间

QG：栅极总充电电量。MOSFET是电压型驱动器件，驱动的过程就是栅极电压的建立过程，这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的。

QGS：栅源充电电量。

QGD：栅漏充电电量。

关于MOSFET寄生电容及其开通关断过程，第三节会详细进行介绍。

2.4 体二极管参数

表12 MOSFET的体二极管参数

IS：连续最大续流电流（从源极）。

ISM：脉冲最大续流电流（从源极）。

VSD：正向导通压降，和MOSFET导通损耗有关。

trr：反向恢复时间。

Qrr：反向恢复充电电量。

图15 体二极管变化曲线

2.5 安全工作区（SOA，Safeoperating area）

功率MOS在使用过程中是否能够安全持续的工作，是设计者必须要考虑的问题，设计者在应用MOS时，必须考虑MOS的SOA区间。SOA是由几个限制条件组成的一个漏源极电压uDS和漏极电流iD的关系图，MOSFET正常工作时的电压和电流都不应该超过该限定范围。MOSFET的安全工作区SOA曲线综合了MOSFET的耐压、耐电流、功率损耗及封装特性等限制。定义了最大的漏源极电压值、漏极电流值，以保证器件在正向偏置时安全的工作。

图16 MOSFET的SOA

a黄色：当漏-源之间电压电压uDS比较小时，iD通过的电流大小主要由MOSFET的RDS（on）来进行限制。在该区域内，当uDS电压与环境温度条件不变时时，我们近似把RDS（on）看成一个常数，满足欧姆定律，由此得出

所以上面黄色部分线近似为一条直线。

b绿色：当uDS升高到一定的值以后，MOSFET的SOA主要由MOS的耗散功率来进行限制，而图中DC曲线则表示当流过电流为连续的直流电流时，MOSFET可以耐受的电流能力。其它标示着时间的曲线则表示MOSFET可以耐受的单个脉冲电流（宽度为标示时间）的能力。单次脉冲是指单个非重复(单个周期)脉冲，单脉冲测试的是管子瞬间耐受耗散功率（雪崩能量）的能力，从这部分曲线来看，时间越短，可以承受的瞬间耗散功率就越大。在上面最大参数耗散损耗中我们已经给出了相对应的计算公式。

c蓝色：MOSFET最大单次脉冲电流ID，pulse限制线，如本例就是548A。

d红色：MOS管所能承受的uDS最大电压，也就是上面参数中的V（BR）DSS，如果uDS电压过高，PN结会发生反偏雪崩击穿，造成MOS管损坏。

需要特别注意的是，在实际的应用中，必须确保MOS管工作在SOA区域以内，超出限制区域会造成电子元器件的损坏。而且上图中的SOA安全区域是在一定的特定条件下测得的，实际应用的时候随着环境温度的变化，SOA曲线也会随之变化。所以为了保证MOSFET工作在绝对的SOA之内，一般使用MOSFET的时候，需要对SOA区域进行降额使用。

3 MOSFET开关过程分析

下面详细分析MOSFET开通关断过程，以及米勒平台的形成。对于MOSFET，米勒效应（Miller Effect）指其输入输出之间的分布电容（栅漏电容）在反相放大作用下，使得等效输入电容值放大的效应。由于米勒效应，MOSFET栅极驱动过程中，会形成平台电压，引起开关时间变长，开关损耗增加，给MOS管的正常工作带来非常不利的影响。

3.1 开通过程

图17 MOSFET的开通时刻电量变化

下面以上图为例，对MOSFET开通过程进行分析。

在t0到t1时刻，从t0时刻开始，uGS开始上升的时候，驱动电流Ig为CGS充电，uDS上升，这个过程中，uDS保持不变，ID为零。一直到t1时刻，uGS上升到uGS（th），也就是门极开启电压时候。在t1时刻以前，MOS处于截止区。

图18 MOSFET的开通时刻1

从t1时刻开始，MOS管因为uGS超过其阈值电压而开始导通。MOSFET的漏极电流ID慢慢上升，负载电流流经续流体二极管的电流一部分换向流入MOSFET，但是它俩的和始终等于负载电流，在开关开通的这个过程中可以认为负载电流是没有变化的。这个时间段内驱动电流仍然是为CGS充电。到t2时刻，ID上升到和负载电流一样，换流结束。在负载电流上升的这个过程中uDS会稍微有一些下降，这是因为下降的di/dt在杂散电感上面形成一些压降，所以侧到的uDS会有一些下降。从t1时刻开始，MOS进入了饱和区。在进入米勒平台前，漏源电压由于被二极管钳位保持不变，MOS管的导电沟道处于夹断状态。

图19 MOSFET的开通时刻2

从t2时刻开始，由于MOSFET中的电流已经上升达到负载中的电流，MOSFET的漏极不再被钳位。这也就意味着，导电沟道由于被VDD钳位而导致的夹断状态被解除，导电沟道靠近漏极侧的沟道渐渐变宽，从而使沟道的导通电阻降低。在漏极电流ID不变的情况下，漏源电压uDS就开始下降。

uDS开始降低 ，栅极驱动电流开始给CGD充电。由于从t1时刻开始，MOS进入了饱和区，在饱和有转移特性：ID=uGS*Gfs。可以看出，只要ID不变uGS就不变。ID在上升到最大值以后，也就是MOSFET和体二极管换流结束后，ID就等于负载电流，而此时又处于饱和区，所以uGS就会维持不变，栅极电压uGS保持不变呈现出一段平台期就是维持米勒平台的电压，这个平台称为米勒平台。米勒平台一直维持到uDS电压降低到MOSFET进入线性区直到t3时刻。

图20 MOSFET的开通时刻3

从t3时刻开始，MOSFET工作在线性电阻区。栅极驱动电流同时给CGS和CGD充电，栅极电压又开始继续上升。由于栅极电压增加，MOSFET的导电沟道也开始变宽，导通压降会进一步降低。当uGS增加到一定电压时，MOS管进入完全导通状态。

图21 MOSFET的开通时刻4

图22 MOSFET的开通过程在输出特性曲线上展示

上图22标示了在开通时不同阶段对应在MOSFET输出曲线的位置。当uGS超过其阈值电压（t1）后，ID电流随着uGS的增加而上升。当ID上升到和电感电流值时，进入米勒平台期（t2-t3）。这个时候uDS不再被钳位，MOSFET夹断区变小，直到MOSFET进入线性电阻区。进入线性电阻区（t3）后，uGS继续上升，导电沟道也随之变宽，MOSFET导通压降进一步降低。MOSFET完全导通（t4）。

该内容是小编转载自西莫电机论坛，仅供学习交流使用，如有侵权，请联系删除。如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息，敬请关注微信公众号 【上海衡丽贸易有限公司】

,