MOSFET基本原理、参数及米勒效应全解
来源:未知 点击: 发布时间:2024-06-02 16:40

  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:

  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)。

  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,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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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

  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。

  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

  ,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。

  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。

  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。

  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。

  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导通压降进一步降低。MOSFET完全导通(t4)。耗尽层输出电压摆幅凯时官网联系方式辐射电导率照明分电箱