深入淺出常用元器件系列——MOSFET
發布時間：2014-8-18 16:31
發布者：看門狗
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作者：antonine MOSFET，中文名金屬-氧化層-半導體-場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。 MOSFET依照導電載流子極性不同，可分為N溝道型與P溝道型的MOSFET;根據導電溝道形成機理的不同，N溝道和P溝道MOS管又各有增強型與耗盡型兩種，因此MOSFET共有四種類型。 從字面上看，MOSFET名字里面首字母是“金屬(Metal)”，容易給人錯誤的印象，事實上目前的大部分此類元件里面是不存在金屬的，早期的MOSFET的柵極使用金屬做為材料，但隨著半導體技術的進步，隨后MOSFET柵級使用多晶硅取代了金屬。 由于MOSFET的應用范圍非常廣泛，本文主要討論功率MOSFET、小功率MOSFET等單體MOSFET的工作原理與使用等。由于實際電路設計中以N溝道增強型MOSFET使用最廣泛，下文以N溝道增強型為例進行介紹。 主要參數 由于篇幅限制，通常模擬電子技術或電力電子技術類的教材中對MOSFET的介紹比較簡單，使很多朋友對MOSFET的一些技術參數不太了解，下面以英飛凌公司IPP60R099為例介紹MOSFET主要技術參數。 N溝道MOSFET的簡圖如下圖左圖所示，其包含寄生參數的等效結構模型如右圖所示。這個結構模型主要由壓控電流源、體二極管、三個寄生電容(Cgs, Cgd, Cds)、以及寄生電阻、寄生電感構成。 
打開器件datasheet首先看到的是下表的關鍵性能指標參數表，顯然這幾個參數是設計人員最關心的幾個關鍵參數。
這些參數包括： VDS，即漏源電壓，這是MOSFET的一個極限參數，表示MOSFET漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。需要注意的是，這個參數是跟結溫相關的，通常結溫越高，該值最大。具體數值可查閱datasheet中的圖表。 RDS(on)max，漏源導通電阻，它表示MOSFET在某一條件下導通時，漏源極之間的導通電阻。這個參數與MOSFET結溫，驅動電壓Vgs相關。在一定范圍內，結溫越高，Rds越大;驅動電壓越高，Rds越小。IPP60R099的導通電阻特性如下圖所示。
Qg，柵極電荷，是在驅動信號作用下，柵極電壓從0V上升至終止電壓(如15V)所需的充電電荷。也就是MOSFET從截止狀態到完全導通狀態，驅動電路所需提供的電荷，是一個用于評估MOSFET的驅動電路驅動能力的主要參數。 Id，漏極電流，漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據工作電流的形式有，連續漏級電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulsed drain current)。這個參數同樣是MOSFET的一個極限參數，但此最大電流值并不代表在運行過程中漏極電流能夠達到這個值。它表示當殼溫在某一值時，如果MOSFET工作電流為上述最大漏極電流，則結溫會達到最大值。所以這個參數還跟器件封裝，環境溫度有關。 Eoss，輸出容能量，表示輸出電容Coss在MOSFET存儲的能量大小。由于MOSFET的輸出電容Coss有非常明顯的非線性特性，隨Vds電壓的變化而變化。所以如果datasheet提供了這個參數，對于評估MOSFET的開關損耗很有幫助。并非所有的MOSFET手冊中都會提供這個參數，事實上大部分datasheet并不提供。
Body Diode di/dt 體二極管的電流變化率，它反應了MOSFET體二極管的反向恢復特性。因為二極管是雙極型器件，它受到電荷存儲的影響，當二極管反向偏置時，PN結儲存的電荷必須清除，上述參數正是反應這一特性的。IPP60R099C6主要用于諧振電源設計，所以體二極管的反向恢復速度是一個重要性能指標，英飛凌CoolMOS的C6系列對于開關管的體二極管性能做了優化。 除上述關鍵參數外，MOSFET還有幾個參數是非常重要的。 Vgs，柵源極最大驅動電壓，這也是MOSFET的一個極限參數，表示MOSFET所能承受的最大驅動電壓，一旦驅動電壓超過這個極限值，即使在極短的時間內也會對柵極氧化層產生永久性傷害。一般來說，只要驅動電壓不超過極限，就不會有問題。但是，某些特殊場合，因為寄生參數的存在，會對Vgs電壓產生不可預料的影響，需要格外注意。 SOA，安全工作區，每種MOSFET都會給出其安全工作區域，不同雙極型晶體管，功率MOSFET不會表現出二次擊穿，因此安全運行區域只簡單從導致結溫達到最大允許值時的耗散功率定義。如下圖為IPP60R099C6的安全工作區，這一區域受有限的沁源電壓和有限的電流值及不同脈沖周期的恒定功率曲線所限制。這里都是以殼溫為25度例。
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