静态电特性

MOSFET

众所周知，由于采用了绝缘栅，功率MOSFET器件只需很小的驱动功率，且开关速度优异。可以说具有“理想开关”的特性。其主要缺点是开态电阻(R DS(on))和正温度系数较高。本教程阐述了高压N型沟道功率MOSFET的特性，并为器件选择提供指导。最后，解释了Microsemi公司Advanced Power Technology (ATP) MOSFET的数据表。

功率MOSFET结构

图1为APT N型沟道功率MOSFET剖面图(本文只讨论N型沟道MOSFET)。在栅极和源极间加正压，将从衬底抽取电子到栅极。如果栅源电压等于或者高于阈值电压，栅极下沟道区域将积累足够多的电子从而产生N型反型层；在衬底形成导电沟道(MOSFET被增强)。电子在沟道内沿任意方向流动。电子从源极流向漏极时，产生正向漏极电流。沟道关断时，正向漏极电流被阻断，衬底与漏极之间的反偏PN结维持漏源之间的电势差。对于N型MOSFET，正向导通时，只有电子流，没有少子。开关速度仅受限于MOSFET内寄生电容的充电和放电速率。因此，开关速率可以很快，开关损耗很低。开关频率很高时，这让功率MOSFET具有很高的效率。

图1：N型沟道MOSFET剖面图。

开态电阻

开态电阻R DS(on)主要受沟道、JFET(积累层)、漂移区和寄生效应(多层金属，键和线和封装)等因素的影响电压超过150V时，R DS(on)主要取决于漂移区电阻。

图2：R DS(on)与电流的关系。

高压MOSFET中R DS(on)与电流的相关较弱。电流增大一倍R DS(on)仅提高了6%，见图2。

图3：R DS(on)与温度的关系。

相反，温度对R DS(on)的影响很大。如图3，温度从25℃升高到125℃，开态电阻提高近一倍。图3中曲线的斜率反映了R DS(on)的温度系数，由于载流子仅为多子，该温度系数永远为正。随着温度的升高，正温度系数将使导通损耗按照I2R增大。

功率MOSFET并联时，正的R DS(on)温度系数可以保证热稳定性，这是其很好的特性。然而，不能保证各分路的电流均匀。这一点容易被误解。MOSFET易于并联正是因为其参数的分布狭窄，特别是R DS(on)。并且与正温度系数相结合，可避免电流独占。

如图4，对于任何给定的芯片尺寸，随着额定电压的增大，R DS(on)也会随之增大。

图4：归一化后的R DS(on)与V(BR)DSS的关系。

对于功率MOS V型和功率MOS 7型MOSFET器件，通过对额定R DS(on)与V(BR)DSS的关系曲线进行拟和，可发现R DS(on)增量与V(BR)DSS的平方成正比。这种非线性关系显示了降低晶体管导通损耗的可能[2]。

本征和寄生参数

JFET寄生于MOSFET结构中，见图1。这对R DS(on)影响很大，并且是MOSFET正常操作的一部分。

本征衬底二极管

衬底和漏之间的PN结所形成的本征二极管称为体二极管(见图1)。由于衬底与源极短接，无法将反向漏极电流关断，这样体二极管构成了很大的电流通路。当反向漏极电流流过时，器件导通损耗降低，这是由于电子流过沟道，并且电子和少数载流子流过体二极管。

本征衬底二极管对于需要反向漏极电流(通常称为自振荡电流)通路的电路十分方便，例如：电桥电路。

对于这样的电路，FREDFET的反向恢复特性通常都得到了改善。FREDFET是Advanced Power Technology所使用的商标，用来区分那些采用了额外工艺步骤加快本征衬底二极管反向恢复特性的MOSFET。FREDFET中没有使用分离的二极管；仅仅是MOSFET的本征衬底二极管。通过电子辐射(经常使用的方法)或者掺杂铂来控制衬底二极管中少数载流子的寿命，极大地降低了反向恢复充电和时间。

FREDFET中额外工艺带来的负面影响是漏电流的增大，特别是高温时。然而，考虑到MOSFET开始工作时漏电流比较低，FREDFET带来的漏电流在PN结温度低于150℃时并不显著。根据电子辐射剂量的不同，FREDFET的额定R DS(on)可能比所对应的MOSFET 还要高。FREDFET的衬底二极管正向压降也会稍微高于所对应的MOSFET。对于栅极充电和开关速度，两种器件性能相同。下文中，如无特别说明，MOSFET这个词既可以代表MOSFET，也可以代表FREDFET。

与分立的快恢复二极管相比，无论是MOSFET还是FREDFET，其反向恢复性能都显得很“笨重”。对在125℃工作的硬开关而言，由于衬底二极管反向恢复电流造成的开关损耗比分立快恢复二极管要高出5倍。造成这种状况的原因有两点：

1．对于MOSFET或FREDFET，体二极管的面积相同，但同样功能的分立二极管面积小很多，这样反向恢复充电效应减小了很多。

2．对于MOSFET或FREDFET，体二极管并没有像分立二极管那样对反向恢复性能进行优化。与常规硅二极管相似，体二极管反向恢复充电效应以及时间是温度，电流随时间的变化率(di/dt)和电流的函数。体二极管正向压降，VSD，随温度的变化率为2.5 mV/℃。

寄生双极晶体管

MOSFET结构中还寄生有NPN型双极晶体管(BJT)，正常工作时并不会开启。但如果BJT 开启并进入饱和区，将产生闩锁效应，这时只有从外部关断漏极电流才能关断MOSFET。闩锁效应产生大量的热会烧毁器件。

寄生BJT的基极与MOSFET源极短接用来防止闩锁效应，并且如果基极悬空，会极大的降低击穿电压(对同样的R DS(on)来说)。理论上讲，关断时会产生极高的电压变化率(dv/dt)，这是造成闩锁效应的主要原因。然而，对于现代常规功率MOSFET，电路很难产生如此之高的dv/dt。

如果体二极管导通后反向关断，将产生极高的电压变化率(dv/dt)，这可能会造成寄生BJT 开启。高dv/dt会在器件体区产生高的少数载流子(正载流子或者空穴)电流密度，体电阻上所积累的电压足以开启寄生BJT。这也是为什么器件会对整流(体二极管反向恢复)dv/dt峰值作限制的原因。由于降低了少数载流子寿命，FREDFET器件整流dv/dt峰值要高于MOSFET器件。

开关速度

由于电容不受温度的影响，因此开关速度和开关损耗也同样不受温度影响。然而，二极管反向恢复电流却随着温度提高而增大，因此，温度效应会对大功率电路中的外部二极管(可以是分立二极管和MOSFET或者FREDFET体二极管)造成影响，从而影响开关损耗。

阈值电压

阈值电压，即VGS(th)，表示晶体管关断时的电压。该参数表示在阈值电压下，漏极电流可以达到多少毫安培，因此，器件工作在开与关的临界状态。阈值电压具有负温度系数，这意味着随着温度升高，阈值电压将降低。负温度系数会影响开关延时时间，因此电桥电路对于死时间有要求。