MOSFET基本原理、参数及米勒效应全解

时间: 2024-12-11 10:35:08 |   作者: 产品品牌

　　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（，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高、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，很常用的是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，这不是我们应该的，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：

　　N沟道增强型MOS管绝大多数都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）。

　　当栅极加有电压时，若0uGSUGS(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uGSUGS(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，能形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏-源电压，就能形成漏极电流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uDSuGS-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。

　　在uGS＝0V时iD＝0，只有当uGSUGS(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：

　　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。

　　上图a称为输出特性曲线V的曲线下方能成为截止区，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。

　　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。未解决这个问题，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），大幅度的提升了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。电力MOSFET结构图如下图所示。

　　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uDSuGS-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。

　　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

　　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

　　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。

　　反映了器件能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的目的是：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，根本原因就是MOSFET的温度特性。从上图（b）能够准确的看出，最大持续漏极电流除了受到封装的限制，还与温度关系紧密。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，则器件不可能会发生雪崩击穿，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。

　　EAR：重复雪崩能量。在很多MOSFET规格书上，还会注明EAR。重复雪崩能量慢慢的变成了“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，该参数没有一点意义。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。该定义的前提是：不对频率做任何限制，从而器件不会过热，这对于任何有几率发生雪崩击穿的器件都是现实的。

　　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。

　　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的基本工艺的变化。由于制作流程与工艺的提高，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。

　　MOSFET的功率损耗主要受限于MOSFET的结温，根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。而结温是由环境和温度和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。

　　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和温度的功率损耗RthJA。

　　重点强调一点，与功耗温度曲线紧密关联的重要参数热阻，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。归算到环境和温度的热阻是布板，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。

　　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。

　　VGS（th）：就是前面基础原理讲的开启电压（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毫安时的栅极电压叫做开启电压。此参数一般会随结温度的上升而有所降低。

　　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。

　　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。它是一个很重要的参数，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。

　　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能够准确的看出，温度不同，VGS（th）不同，相应的跨导差别很大。

　　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很重要，可能会导致电路的谐振。

　　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。

　　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。

　　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。

　　功率MOS在使用的过程中能否安全持续的工作，是设计者必须要考虑的问题，设计者在应用MOS时，一定要考虑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。

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

　　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，能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给出了相对应的计算公式。

　　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。

　　需要格外的注意的是，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和温度的变化，SOA曲线也会随之变化。所以为了能够更好的保证MOSFET工作在绝对的SOA之内，通常用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

　　，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管的正常工作带来很不利的影响。

　　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，这样的一个过程中，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。

　　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，在开关开通的这样的一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样的一个过程中uDS会稍微有一些下降，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。

　　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。这也就从另一方面代表着，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。能够准确的看出，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，这样的平台称为米勒平台。米勒平台一直维持到uDS电压降低到MOSFET进入线时刻。

　　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，导通压降会促进降低。当uGS增加到一定电压时，MOS管进入完全导通状态。

　　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）后，uGS继续上升，导电沟道也随之变宽，MOSFET导通压降逐步降低。MOSFET完全导通（t4）。