MOSFET是場(chǎng)效應(yīng)管的一種，屬于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，全稱為金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如圖1為MOSFET的結(jié)構(gòu)圖，是利用電場(chǎng)來(lái)在柵極形成載流子溝道來(lái)溝通源極和漏極。

圖 1 MOS的一般結(jié)構(gòu)

MOSFET可以被制造成增強(qiáng)型（當(dāng)柵極端子兩端沒(méi)有電壓時(shí)，該器件將不導(dǎo)通）或耗盡型（當(dāng)柵極端子兩端沒(méi)有電壓時(shí)，通道將顯示其最大電導(dǎo)），實(shí)際應(yīng)用的一般是增強(qiáng)型的N溝道或P溝道MOS。這兩種之中如何選擇我們將在后文中講到。所以，制造出來(lái)的增強(qiáng)型 MOS，由于襯底的不同分為 N 型（具 有位于源極和漏極端子之間的 N 溝道區(qū)域，襯底為 P 型）和 P 型如?圖 2 為 N 溝道 MOS 的結(jié)構(gòu)圖。在柵極施加具有正電壓時(shí)，則存在于氧化層下方的空穴將被向下推入基板。

圖 2

在電子到達(dá)時(shí)，形成通道。正 電壓還將電子從 n +源極和漏極區(qū)吸引到溝道中。此時(shí)在漏極和源極 之間施加電壓，電流將在源極和漏極之間自由流動(dòng)，而柵極電壓控制 著溝道中的電子。在 NMOS 中，Vgs 大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí) 的情況(低端驅(qū)動(dòng))，比如只要柵極電壓達(dá)到 4V 或 10V 就可以了。在 PMOS 中，Vgs（電壓）小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接 VCC 時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。

不管是 NMOS 還是 PMOS，由于存在的工作狀態(tài)屬于工作在截止區(qū)、飽和區(qū)、線性區(qū) （歐姆區(qū)），所以導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分 消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的 MOS 管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。由此可見(jiàn)，MOS 具有相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的作用。

MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，損失也越大。

所以，總結(jié)起來(lái)MOSFET具有以下特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、工作頻率高（可到Mhz）。同時(shí)電流容量小、耐壓低、驅(qū)動(dòng)功率小，是屬于電壓控制型的單極型自關(guān)斷器件，典型應(yīng)用是開(kāi)關(guān)電源。在開(kāi)關(guān)電源中，如漏極開(kāi)路電路，漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載，叫開(kāi)路漏極，開(kāi)路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流，是理想的模擬開(kāi)關(guān)器件。

MOSFET 有兩個(gè)作用：開(kāi)關(guān)和隔離。需要MOS來(lái)完成作為隔離器件這個(gè)作用時(shí)，即是將其看作一個(gè)二極管，需要的是單向?qū)щ娦浴．?dāng)需要MOS導(dǎo)通時(shí)，在控制端加合適的電壓，可以使MOS飽和導(dǎo)通，優(yōu)點(diǎn)是幾乎不產(chǎn)生壓降；

圖 3 MOS的應(yīng)用領(lǐng)域

由于MOSFET的特點(diǎn)，決定了在工作頻率高于其他功率器件時(shí)（目前大概定為70KHZ），MOS成為了唯一的選擇，比如變頻器、音頻設(shè)備。此外，由于MOS輸出功率小和較低的開(kāi)關(guān)損耗，在10KHZ-100KHZ之間的低功率領(lǐng)域（5KW）MOS也可作為主流功率器件，比如電磁爐、液晶電視板卡等(如圖3)。MOS多作為開(kāi)關(guān)器件，追求高頻與低功耗，因此N溝道增強(qiáng)型是較優(yōu)選擇，而PMOS多作為開(kāi)關(guān)電路中的高側(cè)開(kāi)關(guān)使用。MOS的應(yīng)用選擇比較考驗(yàn)工程師對(duì)于設(shè)計(jì)裕量的考慮，側(cè)面反應(yīng)工程師對(duì)于項(xiàng)目的整體把握?？梢园袽OSFET選型分成四個(gè)步驟。?

1.選用N溝道還是P溝道

即高側(cè)開(kāi)關(guān)還是低側(cè)開(kāi)關(guān)的考慮。在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET，出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]（MOSFET接地，負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，構(gòu)成低壓側(cè)開(kāi)關(guān)），如圖。高壓側(cè)開(kāi)關(guān)中采用P溝道MOSFET，出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮（MOSFET連接到總線，負(fù)載接地，構(gòu)成高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。這一步之后需要確定的是額定電壓Vds，應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。其余在后文中需要關(guān)注的MOS關(guān)鍵數(shù)據(jù)會(huì)提到。

考慮最壞情況和真實(shí)情況下封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。?結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散]。考慮雪崩擊穿，即半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過(guò)最大值，并形成強(qiáng)電場(chǎng)使器件內(nèi)電 流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。柵極電荷(Qgd)對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響最大，此外考慮柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電 容。這些電容會(huì)在器件中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_(kāi)關(guān)時(shí)都要對(duì)它們充電。MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。MOSFET 開(kāi)關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá)：Psw=(開(kāi)通損耗+關(guān)斷損耗)

綜上所述，在將 MOS 作為開(kāi)關(guān)時(shí)的實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的 MOS 需要考慮以下參數(shù)：漏源電壓 Vds（耐壓）、Vgs、IDss、IGss、RDS(on) 導(dǎo)通電阻、結(jié)電容、品質(zhì)因數(shù) FOM=Ron ?* Qg 等。

1.Vds 和Vgs 。確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓Vds，或“漏源擊穿電壓”，這是在柵極短路到源極，漏極電流在定值情況下，MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。Vds也被稱為“25℃下的絕對(duì)最高電壓”，同時(shí)，這個(gè)絕對(duì)最高電壓與溫度有關(guān)，具體參考數(shù)據(jù)手冊(cè)“Vds溫度系數(shù)”；另外，最高Vds是直流電壓加上可能在電路里存在的任何電壓尖峰和紋波。在導(dǎo)通過(guò)程中柵源電壓Vgs，即在給定的最大RDS(on)條件下，能夠確保MOSFET完全導(dǎo)通的電壓。

2.導(dǎo)通電阻RDS(on)，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(on)是在一個(gè)或多個(gè)柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數(shù)值高20%～50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃結(jié)溫下的數(shù)值，而在更高的溫度下，RDS(on)可以增加30%～150%。導(dǎo)通電阻對(duì)N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。

3.柵極電荷Qg，在開(kāi)關(guān)電源中，Qg是用在開(kāi)關(guān)電源里的N溝道MOSFET的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镼g會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗。這些損耗有兩個(gè)方面影響：一個(gè)是影響MOSFET導(dǎo)通和關(guān)閉的轉(zhuǎn)換時(shí)間；另一個(gè)是每次開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)柵極電容充電所需的能量。Qg取決于柵源電壓，使用更低的Vgs可以減少開(kāi)關(guān)損耗。?（如果系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)性能要求比較高，同時(shí)希望又有很小的損耗，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET，如超結(jié)MOS）

4.品質(zhì)因數(shù)FOM，FOM=RDS(on) xQg。FOM總結(jié)了器件的性能，可以用典型值或最大值來(lái)比較MOSFET。要保證在器件中進(jìn)行準(zhǔn)確的比較，但是需要確定用于RDS(on) 和Qg的是相同的Vgs。較低的FOM能在開(kāi)關(guān)應(yīng)用里獲得更好的性能。

5.額定電流和功率損耗，IDss：漏極與源極之間的漏電流；IGss：柵極與源極之間的漏電流；功率損耗取決于溫度和導(dǎo)通時(shí)間，包括開(kāi)通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗、截止損耗、門(mén)級(jí)損耗、輸出電容損耗（此損耗一般在開(kāi)關(guān)頻率較高、硬開(kāi)關(guān)工作時(shí)的幅值較高）。其中后三個(gè)在總的損耗中占的比重很小，設(shè)計(jì)時(shí)不用重點(diǎn)考慮；由于電路拓?fù)洹④涢_(kāi)關(guān)技術(shù)、負(fù)載、開(kāi)關(guān)頻率的不同，開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗在總損耗中占的比重不同，需要另外考慮。

6.封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫，考慮散熱時(shí)，不同使用場(chǎng)景考慮方式不同。對(duì)于用在手持設(shè)備里的小型表面貼裝器件，關(guān)聯(lián)度最高的電流等級(jí)可能是在70℃環(huán)境溫度下的電流，對(duì)于有散熱片和強(qiáng)制風(fēng)冷的大型設(shè)備，在TA = 25℃下的電流等級(jí)可能更接近實(shí)際情況。要選擇合適的MOS，需要了解MOS類型。目前，市面上的主流功率MOSFET類型主要包括：由于技術(shù)變化形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的Planar、Trench、Lateral、SuperJunction、Advanced Trench以及由于材料迭代形成的半導(dǎo)體材料改變的SiC、GaN，它們的主要特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域如下圖。

圖 5 MOS的主要分類和適用領(lǐng)域

其中，SiC和GaN 屬于高端MOS，我們將在下期的文章中講到。表中Planar和Trench屬于VDMOS（垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管），Lateral屬于LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）。本次將以消費(fèi)電子中應(yīng)用較為廣泛的VDMOS為主。比如SJ-MOS在照明行業(yè)中的應(yīng)用。為了克服傳統(tǒng)MOS導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，一些人在VDMOS基礎(chǔ)上提出了一種新型的理想器件結(jié)構(gòu)，稱為超結(jié)器件或SJ-MOS，他們的結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示，其由一些列的P型和N型半導(dǎo)體薄層交替排列組成。在截止態(tài)時(shí)，由于P型和N型層中的耗盡區(qū)電場(chǎng)產(chǎn)生相互補(bǔ)償效應(yīng)，使P型和N型層的摻雜濃度可以做的很高而不會(huì)引起器件擊穿電壓的下降。導(dǎo)通時(shí)，這種高濃度的摻雜可以使其導(dǎo)通電阻顯著下降，大約有兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)檫@種特殊的結(jié)構(gòu)，使得SJ-MOS的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的VDMOS。

圖6 VDMOS結(jié)構(gòu)

圖 6 SJ-MOS結(jié)構(gòu)

SJ-MOS的具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、Rdson遠(yuǎn)低于VDMOS，通態(tài)損耗小。2、同等功率規(guī)格下封裝小，有利于功率密度的提高。3、導(dǎo)通損耗低，從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗。同時(shí)因?yàn)檫@些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，所以減小了散熱器的體積，有效的提高了系統(tǒng)電源類產(chǎn)品的功率密度。4、柵電荷小，對(duì)電路的驅(qū)動(dòng)能力要求降低。5、結(jié)電容小，開(kāi)關(guān)速度加快，開(kāi)關(guān)損耗小。

LED照明屬于發(fā)熱量較大、損耗較大的應(yīng)用，所以，SJ-MOS應(yīng)用于LED照明行業(yè)再適合不過(guò)，可以使得整體熱損耗減小，降低因散熱問(wèn)題帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，盡量少的避免損害LED的發(fā)光效果，同時(shí)在MOS過(guò)熱時(shí)自動(dòng)關(guān)斷電路達(dá)到保護(hù)LED燈具的目的，避免減少LED的使用壽命。此外，也可以節(jié)省生產(chǎn)成本。

但是，結(jié)合前文中提到的在應(yīng)用中應(yīng)考慮的各個(gè)參數(shù)，又因相較于VDMOS，其實(shí)SJ-MOS也有其缺點(diǎn)，比如對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)由于較小的寄生電容帶來(lái)的較快的開(kāi)關(guān)性能，SJ-MOS的EMI可能超標(biāo)并引起柵極震蕩，同時(shí)漏源極電壓尖峰比較大，以及由于結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌目估擞考澳蛪耗芰Σ?，都需要工程師在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留足夠的余量使得設(shè)計(jì)較為可靠。

美浦森的SJ-MOS除了應(yīng)用于LED照明領(lǐng)域，還具有較多的應(yīng)用于場(chǎng)景，比如開(kāi)關(guān)電源、適配器、充電器、TV電源等。根據(jù)前文提到的選擇注意事項(xiàng)，根據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，美浦森下表可做參考選擇。

美浦森具有POWER VDMOS、SJ-MOS、SiC MOS，Si VDMOS主要用于逆變器、鎮(zhèn)流器、開(kāi)關(guān)電源、PC電源、手機(jī)充電器電源（包括不得不提的快充類型）；SiC MOS這樣的高級(jí)器件，具有低導(dǎo)通電阻、低開(kāi)關(guān)損耗、高開(kāi)關(guān)頻率、高工作結(jié)溫的特點(diǎn)，在汽車電子中比如汽車中控、行車記錄儀應(yīng)用廣泛，尤其汽車儀表盤(pán)中更是必不可少。等在下期的文章中，我們將從開(kāi)關(guān)電源、工業(yè)照明、汽車電子三個(gè)方面繼續(xù)介紹Maplesemi的其他產(chǎn)品特性和應(yīng)用。

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