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技术参数详解,MOS管知识全录!

发布时间:2021/12/20 0:12:00

来源:http://www.szinter.com.cn/news739609.html

MOS管,即金属材料(Metal)—金属氧化物(Oxide)—半导体材料(Semiconductor)场效应晶体管,是一种运用场效基本原理运行的半导体元器件;和一般三极型晶体三极管对比,MOS管具备输入电阻高、噪音低、动态范围大、功能损耗小、便于集成化等优点,在开关电源电路、电子镇流器、中频感应加热、高频率逆变焊机、通信电源等高压电源行业获得了更加广泛的运用。

MOS管的类型及构造

MOS管是FET的一种(另一种为JFET结型场效管),关键有二种结构形式:N沟道型和P沟道型;又依据场效基本原理的不一样,分成耗光型(当栅压为零时有比较大漏极电流量)和增强型(当栅压为零,漏极电流量也为零,务必再加一定的栅压以后才有漏极电流量)二种。因而,MOS管可以被制组成P沟道增强型、P沟道耗光型、N沟道增强型、N沟道耗光型4种种类商品。

数据图表1 MOS管的4种种类

每一个MOS管都给予有三个电级:Gate栅极(表明为“G”)、Source源极(表明为“S”)、Drain漏极(表明为“D”)。布线时,针对N沟道的开关电源键入为D,导出为S;P沟道的开关电源键入为S,导出为D;且增强型、耗光型的接线方法基本上一样。

数据图表2 MOS管內部框架图

从框架图可发觉,N沟道型场效管的源极和漏极接在N型半导体上,而P沟道型场效管的源极和漏极则接在P型半导体上。场效管导出电流量由键入的工作电压(或称场工作电压)操纵,其键入的功率很小或沒有电流量键入,促使该元器件有很高的输入电阻,这也是MOS管被称作场效管的关键缘故。

MOS管原理

1、N沟道增强型场效管基本原理

N沟道增强型MOS管在P型半导体上转化成一层SiO2塑料薄膜电缆护套,随后用光刻工艺蔓延2个高夹杂的N型区,从N型区引出来电级(漏极D、源极S);在源极和漏极中间的SiO2电缆护套上镀一层金属铝做为栅极G;P型半导体称之为衬底,用标记B表明。因为栅极与其他电级中间是互相绝缘层的,因此NMOS又被称作绝缘层栅型场效管。

当栅极G和源极S中间不用一切工作电压,即VGS=0时,因为漏极和源极2个N 型区中间隔有P型衬底,等同于2个背对背联接的PN结,他们相互之间的电阻器达到1012Ω,即D、S中间不具有导电性的沟道,因此不管在漏、源极中间加什么正负极的工作电压,都不可能造成漏极电流量ID。

数据图表3 N沟道增强型MOS管结构示意图

当将衬底B与源极S短路,在栅极G和源极S中间加正工作电压,即VGS>0时,如图形3(a)所显示,则在栅极与衬底中间造成一个由栅极偏向衬底的静电场。在这个静电场的效果下,P衬底表层周边的空穴遭受抵触将向下边健身运动,电子器件受静电场的吸引住向衬底表层健身运动,与衬底表层的电荷复合型,产生了一层耗尽层。

假如进一步提高VGS工作电压,使VGS做到某一工作电压VT时,P衬底表层中空穴所有被歧视和耗光,而自由电荷很多的被吸引住到表层,由量变到质变,使表层变成了自由电荷为多子的N型层,称之为“反型层”,如图形3(b)所显示。

反型层将漏极D和源极S2个N 型区相接通,组成了漏、源极中间的N型导电性沟道。把逐渐产生导电性沟道需要的VGS值称之为阈值电压或打开工作电压,用VGS(th)表明。显而易见,仅有VGS>VGS(th)时才有沟道,并且VGS越大,沟道越厚,沟道的关断电阻器越小,导电能力越强;“增强型”一词也从而获得。

数据图表4 耗尽层与反型层造成的结构示意图

在VGS>VGS(th)的前提下,假如在漏极D和源极S中间再加上正工作电压VDS,导电性沟道便会有电流量商品流通。漏极电流量由漏区流入源区,由于沟道有一定的电阻器,因此顺着沟道造成电流,使沟道各点的电位差沿沟道由漏区到源区慢慢减少,挨近漏区一端的工作电压VGD最少,其数值VGD=VGS-VDS,相对应的沟道超薄;挨近源区一端的工作电压较大,相当于VGS,相对应的沟道更厚。

那样就促使沟道薄厚不会再是匀称的,全部沟道呈偏斜状。伴随着VDS的扩大,挨近漏区一端的沟道愈来愈薄。

当VDS扩大到某一临界点,使VGD≤VGS(th)时,漏端沟道消退,只剩余耗尽层,把这样的事情称之为沟道“预夹断”,如数据图表4(a)所显示。再次扩大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)],夹断点向源极方位挪动,如数据图表4(b)所显示。

虽然夹断点在挪动,但沟道区(源极S到夹断点)的电流保持不变,仍相当于VGS-VGS(th)。因而,VDS不必要一部分工作电压[VDS-(VGS-VGS(th))]所有降至夹断区上,在夹断区域内产生很强的静电场。这时电子器件沿沟道从源极流入夹断区,当电子器件抵达夹断区边沿时,受夹断区强静电场的功效,会快速的飘移到漏极。

数据图表5 预夹断及夹断区产生平面图

2、P沟道增强型场效管基本原理

P沟道增强型MOS管因在N型衬底中转化成P型反型层而而出名,其根据光刻、蔓延的方式 或别的方式,在N型衬底(硅片)上制做出2个夹杂的P区,各自引出来电级(源极S和漏极D),与此同时在漏极与源极中间的SiO2电缆护套上制做金属材料栅极G。其构造和原理与N沟道MOS管相近;仅仅应用的栅-源和漏-源工作电压正负极与N沟道MOS管反过来。

在常规业务时,P沟道增强型MOS管的衬底务必与源极相接,而漏极对源极的工作电压VDS应是负数,以确保2个P区与衬底中间的PN结均为反偏,与此同时为了更好地在衬底顶表层周边产生导电性沟道,栅极对源极的工作电压也应是负。

数据图表6 P沟道增强型MOS管的结构示意图

当VDS=0时。在栅源中间加负工作电压比,因为电缆护套的存有,故沒有电流量,可是金属材料栅极被填补电而集聚负电,N型半导体中的多子电子器件被负电抵触向身体内健身运动,表层留有带正电荷的正离子,产生耗尽层。

伴随着G、S间负工作电压的提升,耗尽层扩宽,当VDS扩大到一定值时,衬底中的空穴(少子)被栅极中的负电吸引住到表层,在耗尽层和电缆护套中间建立一个P型层析,称反型层,如数据图表6(2)所显示。

这一反型层就组成漏源中间的导电性沟道,这时的VGS称之为打开工作电压VGS(th),做到VGS(th)后再提升,衬底表层磁感应的空穴越多,反型层扩宽,而耗尽层的总宽却不会再转变,那样大家可以用VGS的尺寸操纵导电性沟道的总宽。

数据图表7 P沟道增强型MOS管耗尽层及反型层产生平面图

当VDS≠0时。导电性沟道产生之后,D、S间加负向工作电压时,那麼在源极与漏极中间将有漏极电流量ID商品流通,并且ID随VDS而增,ID沿沟道造成的损耗使沟道上各点与栅极间的工作电压不会再相同,该工作电压消弱了栅极中负电静电场的功效,使沟道从漏极到源极慢慢变小,如数据图表7(1)所显示。

当VDS扩大到使VGD=VGS(即VDS=VGS-VGS(TH)),沟道在漏极周边发生预夹断,如数据图表7(2)所显示。再再次扩大VDS,夹断区仅仅稍有延长,而沟道电流量大部分维持预夹断时的标值,其根本原因是当发生预夹断时再再次扩大VDS,VDS的不必要一部分就所有加在漏极周边的夹断区上,故产生的漏极电流量ID类似与VDS不相干。

数据图表8 P沟道增强型MOS管预夹断及夹断区产生平面图

3、N沟道耗光型场效管基本原理

N沟道耗光型MOS管的结构特征与增强型MOS管构造相近,仅有一点不一样,便是N沟道耗光型MOS管在栅极工作电压VGS=0时,沟道早已存有。这是由于N沟道是在生产流程中选用离子注入法事先在D、S中间衬底的表层、栅极下边的SiO2电缆护套中掺加了大批量的金属材料共价键,该沟道亦称之为原始沟道。

当VGS=0时,这种共价键早已磁感应出反型层,产生了沟道,因此如果有漏源工作电压,就会有漏极电流量存有;当VGS>0时,将使ID进一步提升;VGS<0时,伴随着VGS的减少,漏极电流量慢慢减少,直到ID=0。相匹配ID=0的VGS称之为夹断工作电压或阈值电压,用标记VGS(off)或Up表明。

因为耗光型MOSFET在VGS=0时,漏源中间的沟道早已存有,因此只需再加上VDS,就会有ID商品流通。假如提升正方向栅压VGS,栅极与衬底中间的静电场将使沟道中磁感应大量的电子器件,沟道增厚,沟道的氧化还原电位扩大。

假如在栅极加负工作电压(即VGS<0),便会在相对性应的衬底表层磁感应出正电,这种正电相抵N沟道中的电子器件,进而在衬底表层造成一个耗尽层,使沟道变小,沟道氧化还原电位减少。当负栅压扩大到某一工作电压VGS(off)时,耗光区拓展到全部沟道,沟道彻底被夹断(耗光),这时即使VDS仍存有,也不会造成漏极电流量,即ID=0。

数据图表9 N沟道耗光型MOS管构造(左)及迁移特点(右)平面图

4、P沟道耗光型场效管基本原理

P沟道耗光型MOS管的原理与N沟道耗光型MOS管完全一致,只不过是导电性的自由电子不一样,配电工作电压正负极也不一样。

5、耗光型与增强型MOS管的差别

耗光型与增强型的关键差别取决于耗光型MOS管在G端(Gate)不用工作电压时有导电性沟道存有,而增强型MOS管仅有在打开后,才会发生导电性沟道;二者的调节方法也不一样,耗光型MOS管的VGS(栅极工作电压)可以用正、零、负工作电压操纵关断,而增强型MOS管务必促使VGS>VGS(th)(栅极阈值电压)才行。

因为耗光型N沟道MOS管在SiO2电缆护套中掺入很多的Na 或K 共价键(生产制造P沟道耗光型MOS管时掺加空气负离子),当VGS=0时,这种共价键造成的电场能在P型衬底中磁感应出充分的电子器件,产生N型导电性沟道;当VGS>0时,将造成很大的ID(漏极电流量);假如使VGS<0,则它将消弱共价键所建立的静电场,使N沟道变小,进而使ID减少。

这种特点促使耗光型MOS管在具体运用中,当机器设备启动时很有可能会误开启MOS管,造成整体无效;不容易被控制,促使其运用非常少。

因而,日常大家见到的NMOS、PMOS多见增强型MOS管;在其中,PMOS可以很便捷地作为高档推动。但是PMOS因为存有关断电阻器大、价钱贵、更换类型少等问题,在高档推动中,通常或是应用NMOS取代,这也是目前市面上不论是运用或是产品品种,增强型NMOS管更为多见的关键缘故,特别是在在开关电源电路和电机驱动器的使用中,一般都用NMOS管。

MOS管关键特点

1、关断特点

关断的实际意义是做为电源开关,等同于电源开关合闭。NMOS的特点,VGS超过一定的值便会关断,适用源极接地装置时的状况(中低端推动),只需栅极工作电压做到4V或10V就可以了。PMOS的特征是,VGS低于一定的值便会关断,适用源极接VCC时的状况(高档推动)。

2、损害特点

无论是NMOS或是PMOS,关断后都是有关断电阻器存有,电流量便会被电阻器耗费动能,这一部分耗费的动能称为关断耗损。小输出功率MOS管导通电阻器一般在几毫欧至几十毫欧上下,挑选关断电阻器小的MOS管会减少关断耗损。

MOS管在开展导通与截至时,两边的工作电压有一个着陆全过程,穿过的电流量有一个升高的全过程,在这段时间内,MOS管的损害是工作电压和电流量的相乘,这称作电源开关损害。通常电源开关损害比导通损害大很多,并且电源开关工作频率越快,损害也越大。

关断一瞬间工作电压和电流量的相乘越大,组成的损害也就越大。减少定时开关,可以减少每一次关断时的损害;减少电源开关工作频率,可以减少单位时间内的电源开关频次。这二种方法可以减少电源开关损害。

3、分布电容推动特点

跟双正负极晶体三极管对比,MOS管必须GS工作电压高过一定的值才可以关断,并且还规定迅速的关断速率。在MOS管的构造中能够看见,在GS、GD中间存有分布电容,而MOS管的推动,理论上便是对电容器的蓄电池充电。

对电容器的电池充电必须一个电流量,因为对电容器电池充电同时可以把电容器当做短路故障,因此一瞬间电流量会非常大。挑选/设计方案MOS管推动时第一个要注意的是可带来一瞬间短路容量的尺寸;第二个要注意的是,广泛适用于高档推动的NMOS,关断时必须栅极工作电压超过源极工作电压。

而高档推动的MOS管导通时源极工作电压与漏极工作电压(VCC)同样,因此这时栅极关断工作电压要比VCC高4V或10V,并且工作电压越高,关断速率越快,关断电阻器也越小。

数据图表10 4种MOS管特点较为平面图

4、生存二极管

漏极和源极中间有一个生存二极管,即“体二极管”,在推动交流电流(如电机、汽车继电器)运用中,适用于维护控制回路。但是体二极管只在单独一个MOS管内存有,在集成电路芯片內部通常是沒有的。

数据图表11 生存二极管部位平面图

5、不一样抗压MOS管特性

不一样抗压的MOS管,其关断电阻器中各一部分电阻器占比遍布不一样。如抗压30V的MOS管,其外延性层电阻器仅为总导通电阻器的29%,抗压600V的MOS管的外延性层电阻器则是总导通电阻器的96.5%。

不一样抗压MOS管的差异关键取决于,耐髙压的MOS管其反应速率比耐低电压的MOS管要慢,因而,他们的特征在具体运用中也主要表现出了不一样之处,如耐中低电压MOS管只必须非常低的栅极正电荷就可以达到强劲电流量和功率大的解决工作能力,除电源开关速度更快以外,还具备开关损耗低的特性,尤其融入PWM输出模式应用;而耐高压MOS管具有输入阻抗高的特性,在电子镇流器、电子变压器、开关电源方面应用较多。

图表12 不同耐压MOS管特点一览表

MOS管与三极管、IBGT的差别

1、MOS管与三极管的差别

三极管全称为半导体三极管,它的主要作用就是将微小的信号中止放大。MOS管与三极管有着许多相近的地方,也有许多不同之处。

首先是开关速度的不同。三极管工作时,两个PN结都会感应出电荷,当开关管处于导通状态时,三极管处于饱和状态,假设这时三极管截至,PN结感应的电荷要恢复到平衡状态,这个过程需求时间。而MOS由于工作方式不同,不需要恢复时间,因此可以用作高速开关管。

其次是控制方式不同。MOS管是电压控制元件,而三级管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用MOS管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用三极管。

接着是载流子种类数量不同。电力电子技术中提及的单极器件是指只靠一种载流子导电的器件,双极器件是指靠两种载流子导电的器件。MOS管只应用了一种多数载流子导电,所以也称为单极型器件;而三极管是既有多数载流子,也应用少数载流子导电;是为双极型器件。

第三是灵活性不同。有些MOS管的源极和漏极可以互换运用,栅压也可正可负,灵活性比三极管好。

第四是集成能力不同。MOS管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多MOS管集成在一块硅片上,因此MOS管在大范围集成电路中得到了普遍的应用。

第五是输入阻抗和噪声能力不同。MOS管具有较高输入阻抗和低噪声等优点,被普遍应用于各种电子设备中,特别用MOS管做整个电子设备的输入级,可以获得普通三极管很难达到的性能。

最后是功耗损耗不同。同等情况下,采用MOS管时,功耗损耗低;而选用三极管时,功耗损耗要高出许多。

当然,在使用成本上,MOS管要高于三极管,因此根据两种元件的特性,MOS管常用于高频高速电路、大电流场所,以及对基极或漏极控制电流比较敏感的中央区域;而三极管则用于低成本场所,达不到效果时才会考虑替换选用MOS管。

表13 MOS管与三极管主要差异比较一览

2、MOS管与IBGT的差别

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由 ** T(双极型三极管)和MOS绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和功率晶体管(GTR)的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。常见的IGBT又分为单管和模块两种,单管的外观和MOS管有点相像,常见生产厂家有富士电机、仙童半导体等,模块产品一般为内部封装了数个单个IGBT,由内部联接成适合的电路。

由于IGBT原理为先开通MOS管,再驱动三极管开通,该原理决定了IGBT的开关速度比MOS管慢,但比三极管快。

制造成本上,IGBT要比MOS管高很多,这是因为IGBT的制作多了薄片背面离子注入、薄片低温退火(如激光退火)工序,而这两个工序都需要专门针对薄片工艺的昂贵机台。

在低压下,低压MOS管的导通压降通常都控制在0.5V以下(基本不会超过1V的),比如IR4110低压MOS管,其内阻为4mΩ,给它100A的导通电流,导通压降是0.4V左右。电流导通压降低,意味着导通损耗小,同时兼具开关损耗小的特性,因此,IGBT相对MOS管在电性能没有优势,加上在性价比上MOS管更具优势,所以基本上看不到低压IGBT。

MOS管的最大劣势是随着耐压升高,内阻迅速增大,所以高压下内阻很大,致使MOS管不能做大功率应用。

在高压领域,MOS管的开关速度仍是最快的,但高压下MOS管的导通压降很大(内阻随耐压升高而迅速升高),即便是耐压600V的COOLMOS管,导通电阻可高达几欧姆,致使耐流很小。

而IGBT在高耐压下,导通压降几乎没明显增大(IGBT的导通电流通过三极管处理),所以高压下IGBT优势明显,既有高开关速度,又有三极管的大电流特性;另外,在新一代IGBT产品中,开关速度高(纳秒级),导通压降、开关损耗等也有了长足进步,使得IGBT耐脉冲电流冲击力更强,且耐压高、驱动功率小等优点更加突出。

在需要耐压超过150V的使用条件下,MOS管已经基本没有优势。以典型的IRFS4115与第四代IGBT型SKW30N60对比中,在150V、20A连续工况下运行,前者开关损耗为6mJ/pulse,而后者只有1.15mJ/pulse,不足前者的1/5;若用极限工作条件,二者功率负荷相差将更悬殊!

目前,诸如冶金、钢铁、高速铁路、船舶等有大功率需求的领域已较少见到MOS管,而是广泛应用IGBT元器件。

总的来说,IGBT更适用于高压、大电流、低频率(20KHZ左右)场所,电压越高,IGBT越有优势,在600v以上,IGBT的优势非常明显;而MOSFET更适用于低电压、小电流、低频率(几十KHz~几MHz)领域,电压越低,MOS管越有优势。

MOS管主要参数

场效应管的参数很多,包括极限参数、动态电特性参数和静态电特性参数,其中重要的参数有:饱和漏源电流IDSS、夹断电压Up、开启电压VT(加强型绝缘栅管)、跨导gM、漏源击穿电压BVDS、最大耗散功率PD ** 和最大漏源电流ID ** 等。

1、最大额定参数

最大额定参数,要求所有数值取得条件为Ta=25℃。

图表14 MOS管的绝对最大额定值示例

VDS/VDSS 最大漏源电压

在栅源短接,漏源额定电压VDSS[或写作V(BR)DSS]是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同,实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。

VGS/ VGSS 最大栅源电压

VGS[或写作V(BR)GSS]额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压,但是会随制造工艺的不同而改变,因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。

ID 连续漏电流

ID定义为芯片在最大额定结温TJ( ** x)下,管表面温度在25℃或者更高温度下,可允许的最大连续直流电流。该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数:

ID中并不包含开关损耗,并且实际使用时保持管表面温度在25℃(Tcase)也很难。因此,硬开关应用中实际开关电流通常小于ID 额定值@ TC=25℃的一半,通常在1/3~1/4。

注:采用热阻JA可以估算出特定温度下的ID,这个值更有现实意义。

IDM/ID ** 脉冲漏极电流/最大漏源电流

该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低,脉冲电流要远高于连续的直流电流。定义IDM的目的在于:线的欧姆区。对于一定的栅-源电压,MOSFET导通后,存在最大的漏极电流,如图表15所示,对于给定的一个栅-源电压,如果工作点位于线性区域内,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IDM设定在区域之下,区域的分界点在VGS和曲线相交点。

图表15 MOSFET导通后,存在最大的漏极电流

因此需要设定电流密度上限,防止芯片温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过高电流流经封装引线,因为在某些情况下,整个芯片上最“薄弱的连接”不是芯片,而是封装引线。

考虑到热效应对于IDM的限制,温度的升高依赖于脉冲宽度,脉冲间的时间间隔,散热状况,RDS(on)以及脉冲电流的波形和幅度。单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻的讨论,来估计脉冲电流下结温的情况。

PD ** 最大耗散功率

亦即容许沟道总功耗,标定了器件可以消散的最大功耗,可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。

TJ、TSTG 工作温度和存储环境温度的范围

这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求。如果确保器件工作在这个温度区间内,将极大地延长其工作寿命。

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。额定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。

L是电感值,ID为电感上流过的电流峰值,其会突然转换为测量器件的漏极电流。电感上产生的电压超过MOSFET击穿电压后,将导致雪崩击穿。雪崩击穿发生时,即使MOSFET处于关断状态,电感上的电流同样会流过MOSFET器件。电感上所储存的能量与杂散电感上存储,由MOSFET消散的能量类似。

MOSFET并联后,不同器件之间的击穿电压很难完全相同。通常情况是:某个器件率先发生雪崩击穿,随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过。

EAR 重复雪崩能量

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。在验证器件设计的过程中,最好可以测量处于工作状态的器件或者热沉的温度,来观察MOSFET器件是否存在过热情况,特别是对于可能发生雪崩击穿的器件。

IAR 雪崩击穿电流

对于某些器件,雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。这样,雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”;其揭示了器件真正的能力。

图表16 雪崩破坏耐量测定电路和波形

SOA 安全工作区

每种MOS管都会给出其安全工作区域,功率MOS管不会表现出二次击穿,因此安全运行区域只简单从导致结温达到最大允许值时的耗散功率定义。

2、静态电特性

图表17 静态电特性及参数一览表

V(BR)DSS/VBDSS 漏源击穿电压(破坏电压)

或叫BVDS,是指在特定的温度和栅源短接情况下,流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。

V(BR)DSS是正温度系数,其漏源电压的最大额定值随着温度的下降而降低,在-50℃时,V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%。

BVGS 栅源击穿电压

在增加栅源电压过程中,使栅极电流IG由零开端剧增时的VGS。

VGS(th)阈值电压

也用VT表示,是指加的栅源电压能使漏极开始有电流,或关断MOSFET时电流消失时的电压,测试的条件(漏极电流、漏源电压、结温)也是有规格的。正常情况下,所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同。因此,VGS(th)的变化范围是规定好的。VGS(th)是负温度系数,当温度上升时,MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。

VGS(off) 夹断电压

也用Up表示,是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。

RDS(on) 导通电阻

是指在特定的漏电流(通常为ID电流的一半)、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。

RGS 栅源电阻

即在栅、源极之间加的电压与栅极电流之比,这一特性有时以流过栅极的栅流表示MOS管的RGS能够很容易地超越1010Ω。

IDSS 零栅压漏极电流

也称为饱和漏源电流,是指在当栅源电压VGS=0时,在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。既然泄漏电流随着温度的增加而增大,IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算,通常这部分功耗可以忽略不计。

IGSS 栅源漏电流

是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。

3、动态电特性

图表18 动态电特性及参数一览表

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就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成,或者Ciss=Cgs+Cgd。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就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成,或者Coss=Cds+Cgd,对于软开关的应用,Coss非常重要,因为它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为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres=Cgd,反向传输电容也常叫做米勒电容,对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数,他还影响这关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小,尤其是输出电容和反向传输电容。

Eoss 输出电容存储能量

表示输出电容Coss在MOS管存储的能量大小。由于MOS管的输出电容Coss有非常明显的非线性特性,随VDS电压的变化而变化。所以如果Datasheet提供了这个参数,对于评估MOS管的开关损耗很有帮助。并非所有的MOS管手册中都会提供这个参数,事实上大部分Datasheet并不提供。

di/dt 电流上升率

该参数反应了MOSFET体二极管的反向恢复特性。因为二极管是双极型器件,受到电荷存储的影响,当二极管反向偏置时,PN结储存的电荷必须清除,上述参数正反映了这一特性。

图表19 寄生电容结构和电路示意图

Qgs、Qgd和Qg(栅极电荷值)

Qg栅极电荷值,也叫栅极总充电电量,反应存储在端子间电容上的电荷,既然开关的瞬间,电容上的电荷随电压的变化而变化,所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。

Qgs为从0电荷开始到第一个拐点处,Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分(也叫做“米勒”电荷),Qg是从0点到VGS等于一个特定的驱动电压的部分。

图表20 Qgs、Qgd和Qg参数含义示意图

漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小,而且栅电荷不随温度的变化。测试条件是规定好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中,包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在上图中,平台电压VGS(pl)随着电流的增大增加的比较小(随着电流的降低也会降低)。平台电压也正比于阈值电压,所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。详解见下图:

图表21 Qgs、Qgd和Qg参数含义分解

td(on) 导通延时时间

是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的90%时所经历的时间。

td(off) 关断延时时间

是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的10%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。

Tr 上升时间

上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。

Tf 下降时间

下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。

NF 低频噪声系数

单位为分贝(dB),噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的,由于它的存在,可使放大器即便在没有信号输人时,输出端也会出现不规则的电压或电流变化。噪声系数NF数值越小,代表管子所产生的噪声越小,场效应管的噪声系数约为几个分贝,比双极性三极管的要小。

gM 跨导

是表示栅源电压VGS对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压VGS变化量的比值,是权衡场效应管放大才能的重要参数。

4、其他重要参数

除以上介绍的参数之外,MOS管还有很多重要的参数,明细如下。

表22 MOS管其他重要参数列表

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