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深入浅出常用元器件系列——MOSFET

本帖最后由 Eric 于 2014-9-8 19:34 编辑

　 MOSFET，中文名金属-氧化层-半导体-场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。 MOSFET依照导电载流子极性不同，可分为N沟道型与P沟道型的MOSFET;根据导电沟道形成机理的不同，N沟道和P沟道MOS管又各有增强型与耗尽型两种，因此MOSFET共有四种类型。

　　从字面上看，MOSFET名字里面首字母是“金属(Metal)”，容易给人错误的印象，事实上目前的大部分此类元件里面是不存在金属的，早期的MOSFET的栅极使用金属做为材料，但随着半导体技术的进步，随后MOSFET栅级使用多晶硅取代了金属。

　　由于MOSFET的应用范围非常广泛，本文主要讨论功率MOSFET、小功率MOSFET等单体MOSFET的工作原理与使用等。由于实际电路设计中以N沟道增强型MOSFET使用最广泛，下文以N沟道增强型为例进行介绍。

　　主要参数

　　由于篇幅限制，通常模拟电子技术或电力电子技术类的教材中对MOSFET的介绍比较简单，使很多朋友对MOSFET的一些技术参数不太了解，下面以英飞凌公司IPP60R099为例介绍MOSFET主要技术参数。

　　N沟道MOSFET的简图如下图左图所示，其包含寄生参数的等效结构模型如右图所示。这个结构模型主要由压控电流源、体二极管、三个寄生电容(Cgs, Cgd, Cds)、以及寄生电阻、寄生电感构成。

　　打开器件datasheet首先看到的是下表的关键性能指标参数表，显然这几个参数是设计人员最关心的几个关键参数。

　　这些参数包括：

　　VDS，即漏源电压，这是MOSFET的一个极限参数，表示MOSFET漏极与源极之间能够承受的最大电压值。需要注意的是，这个参数是跟结温相关的，通常结温越高，该值最大。具体数值可查阅datasheet中的图表。

　　RDS(on)max，漏源导通电阻，它表示MOSFET在某一条件下导通时，漏源极之间的导通电阻。这个参数与MOSFET结温，驱动电压Vgs相关。在一定范围内，结温越高，Rds越大;驱动电压越高，Rds越小。IPP60R099的导通电阻特性如下图所示。

Qg，栅极电荷，是在驱动信号作用下，栅极电压从0V上升至终止电压(如15V)所需的充电电荷。也就是MOSFET从截止状态到完全导通状态，驱动电路所需提供的电荷，是一个用于评估MOSFET的驱动电路驱动能力的主要参数。

　　Id，漏极电流，漏极电流通常有几种不同的描述方式。根据工作电流的形式有，连续漏级电流及一定脉宽的脉冲漏极电流(Pulsed drain current)。这个参数同样是MOSFET的一个极限参数，但此最大电流值并不代表在运行过程中漏极电流能够达到这个值。它表示当壳温在某一值时，如果MOSFET工作电流为上述最大漏极电流，则结温会达到最大值。所以这个参数还跟器件封装，环境温度有关。

　　Eoss，输出容能量，表示输出电容Coss在MOSFET存储的能量大小。由于MOSFET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MOSFET的开关损耗很有帮助。并非所有的MOSFET手册中都会提供这个参数，事实上大部分datasheet并不提供。

　　Body Diode di/dt 体二极管的电流变化率，它反应了MOSFET体二极管的反向恢复特性。因为二极管是双极型器件，它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，上述参数正是反应这一特性的。IPP60R099C6主要用于谐振电源设计，所以体二极管的反向恢复速度是一个重要性能指标，英飞凌CoolMOS的C6系列对于开关管的体二极管性能做了优化。

　　除上述关键参数外，MOSFET还有几个参数是非常重要的。

　　Vgs，栅源极最大驱动电压，这也是MOSFET的一个极限参数，表示MOSFET所能承受的最大驱动电压，一旦驱动电压超过这个极限值，即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产生永久性伤害。一般来说，只要驱动电压不超过极限，就不会有问题。但是，某些特殊场合，因为寄生参数的存在，会对Vgs电压产生不可预料的影响，需要格外注意。

　　SOA，安全工作区，每种MOSFET都会给出其安全工作区域，不同双极型晶体管，功率MOSFET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。如下图为IPP60R099C6的安全工作区，这一区域受有限的沁源电压和有限的电流值及不同脉冲周期的恒定功率曲线所限制。这里都是以壳温为25度例。