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功率MOSFET系列(二):MOSFET管的靜態參數

 MOS管靜態參數指標包含:漏-源擊穿電壓V(BR)DSS、開啟電壓VTH、漏-源飽和漏電流IDSS、柵-源驅動電流或反向電流IGSS、導通電阻RDS(on)、柵源擊穿電壓VGS。

漏源擊穿電壓V(BR)DSS漏源擊穿電壓是指柵源電壓為VGS為0時,場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。加在場效應管上的工作電壓必須小于V(BR)DSS,且具有正溫度特性,應以此參數在低溫條件下的值作為安全考慮,是極限參數。開啟電壓VGS(TH)當外加柵極控制電壓VGS超過VGS(TH)時,漏區和源區的表面反型層形成了連接的溝道,應用中常將漏極短接條件下ID等于1mA時的柵極電壓稱為開啟電壓,會隨溫度上升而降低。導通電阻RDS(on)    MOS管導通時,其漏極與源極之間所有的電阻總和。主要構成部分如下圖所示:

圖1:導通電阻RDSON等效電路

  • RDSON詳細構成

RN+:源極N+擴散區中的電阻,占很小,高壓中可忽略;RCH:溝道區域,隨溝道寬度長度之比、柵極氧化層厚度和柵極電壓的變化而不同,低壓MOS中占比最大。    RA:VGS建立時電荷開始聚集在N-的外延層,并在溝道和JFET區間形成-電流。在此聚集區域的電阻即為RA。電阻值隨著聚集區電荷量和表面自由載流子的遷移率的變化而不同。并且如果柵極電極減小的話,就相當于減小了聚集區的長度,故RA會隨著RJ的增大而減小。RJ:在P型區間的N-外延層當中的電阻;RD:在P區與襯底間的電阻,高壓MOS中的占比最大;RS:襯底區的電阻,高壓可忽略,50V的MOS管中有相當大的影響。另外,RDSON會隨著漏極-源極的金屬材質、N+半導體區域、器件封裝的不同而有著非理想的變化。

  • RDSON的溫度特性

圖2:RDSON負溫度特性曲線

25℃和175℃兩條傳輸特性曲線有一個交點,此交點的VG稱為轉折電壓(又稱零溫度系數點,約VGS=5.5V),轉折電壓略為大于VTH電壓,在轉折電壓的左下部分曲線VGS電壓一定時,溫度越高,所流過的電流越大,也就是RDSON越小,這個區域為負溫度系數區域。負溫度特性存在于開關轉換的瞬態過程中,功率MOS管的內部由許多小的MOS晶胞并聯組成。所有單元的G極和S極由內部金屬導體連接匯集在晶元的某一位置,然后由導線引出的管腳。這樣離匯集點越遠的單元,G極的等效串聯電阻就越大,離柵極管腳距離近的晶胞單元VGS大,流過的電流大,溫度高,RDSON變小,電流更大,形成正反饋。若此區域停留時間過長,局部晶胞可能會出現過熱擊穿的情況,容易出現局部熱點損壞。    

圖3:RDSON正溫度特性曲線

在轉折電壓的右上部分曲線,VGS電壓一定時,溫度越高,所流過的電流越小,也就是RDSON越大,此時流過的電流就越小,這個區域為正溫度系數區域,功率MOS管內的晶胞單元會自動均流。【重要知識點】正溫度系數的RDSON,使得能夠抑制局部溫升,消除器件的局部熱點,使器件溫度趨于均勻,從而使MOS管的安全工作區SQA遠大于三極管的安全工作區,也是MOS管可以用于并聯使用的主要原因之一。沒有三極管的二次擊穿現象(元胞自動均流的結果),導致高溫下功耗加大,同時使散熱設計變得復雜。

  • 飽和漏源電流(IDSS)

在漏-源間加上V(BR)DSS和在125℃環境溫度時80% V(BR)DSS,G-S極短接下測得;正溫度系數,且其對溫度的敏感性比V(BR)DSS要大得多,測量方法如下圖所示:    

圖4:MOS管漏-源漏電流IDSS測量方法

  • 柵-源驅動電流(IGSS)

在柵極與源極之間加上最大VGS耐壓時的電流,有正反向;由柵極氧化物的質量和器件尺寸所決定,測量方法如下圖所示:

圖5:MOS管柵-源驅動電流IGSS測量方法

  • 柵-源擊穿電壓(VGS)

在柵極與源極之間最大工作的正向偏置電壓和負壓;主要受柵極氧化層的厚度所決定;VGS有±20V和±30V兩種;VGS是極限,超過這個電壓值,即使在極短的時間內也會對柵極氧化層產生永久性損害,ESD是造成柵極失效的主要原因,須盡量避免。    

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