MOS管的工作原理及电气特性（一）

平面MOSFET的结构和操作

对于如下所示的平面MOSFET：

1.在漏极与源极之间施加正极性电压（漏极-源极电压：VDS）

2.在栅极与源极之间施加正极性电压（栅极-源极电压：VGS）

3.因此，电子被吸引至栅极绝缘膜下的P层，P层变为N层（变成N层的P层被称为“反转层”）

4.由于上述第3条中所述的反转现象，MOSFET的所有区域变成N层（从漏极侧：“N+”-”N-”-”反转层（N）”–“N+”）

5.因此，MOSFET用作电阻器，漏极电流由施加的VDS和负载流决定。

SJ-MOS在N层有柱形P层（P柱层）。P和N层交替排列。

通过施加VDS，耗尽层扩散至N层，但是其扩散至SJ-MOS中的方法与扩散至一般D-MOS中的方法有所不同。（参见电场强度图。电场强度表示耗尽层的状态。）

如果是D-MOS的情况，电场强度在P／N层界面最强。当电场强度超过硅极限时，将发生穿通现象（击穿现象），这是电压极限。另一方面，如果是SJ-MOS的情况，电场强度在N层中是均匀的。

所以，SJ-MOS可以采用具有较低电阻的N层设计，实现低导通电阻产品。
SJ-MOS可实现与D-MOS相同的导通电阻，但其芯片尺寸比D-MOS中的更小。

Ciss，Crss和Coss全部是影响MOSFET开关特性的重要因素。

Ciss：输入电容（Ciss＝Cgd＋Cgs）
⇒栅极-漏极和栅极-源极电容的总和。它会影响延迟时间。Ciss越大，延迟时间越长。

Crss：反向传输电容（Crss＝Cgd）
⇒栅极-漏极电容。Crss越大，漏极电流上升特性越差，这对于MOSFET的损耗非常不利。实现高速驱动需要采用低电容。

Coss输出电容（Coss＝Cgd＋Cds）
⇒栅极-漏极和漏极-源极电容的总和。它会影响轻载关闭特性和损耗。Coss越大，关断dv／dt越低，这有利于减轻噪声，但是将增加轻载损耗。

栅极漏电流（IGSS）

当在漏极和源极短路的情况下在栅极和源极之间施加指定电压时产生的漏电流

IGSS测量

漏极截止电流（IDSS）
当在栅极和源极短路的情况下在漏极与源极之间施加指定电压时产生的漏电流

IDSS测量

漏源击穿电压（V(BR)DSS／V(BR)DXS）

保证器件在漏极与源极之间阻断的最大电压
V(BR)DSS：在栅极和源极短路的情况下
V(BR)DSX：在栅极和源极反向偏置的情况下

V(BR)DSS测量

V(BR)DSX测量

数据表说明

特性

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

栅极漏电流

IGSS

VGS＝±20V，VDS＝0V

—

—

±0.1

µA

漏极截止电流

IDSS

VDS＝40V，VGS＝0V

—

—

10

漏源击穿电压

V(BR)DSS

ID＝10mA，VGS＝0V

40

—

—

V

V(BR)DSX

ID＝10mA，VGS＝-20V

25

—

—

栅极阈值电压（Vth）

Vth表示“阈值电压”。Vth是指当源极与漏极之间有指定电流时出现的栅极电压。

Vth测量

栅极－源极电压（VGS）升高，直至漏极电流（ID）达到指定值。一旦达到该值，立即测量VGS。

数据表说明

特性

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

栅极阈值电压

Vth

VDS＝10V，ID＝1.0mA

1.4

—

2.4

V

漏源导通电阻（RDS(ON)）

当MOSFET为“导通”状态时，漏极与源极之间的电阻

VDS(ON)测量

施加指定的恒定漏极电流，直至VGS达到指定电压。一旦达到该值，立即测量漏源电压。将测量值除以漏极电流值ID，计算出导通电阻。
注：使恒流源的开路电压低于漏源击穿电压。

测量正向转移导纳

栅极-源极（VGS）升高，直至漏极电流（ID）达到指定值。随后，VGS只会略微变化，测量漏极电流（ID）的变化量。

数据表说明

特性

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

漏源导通电阻

RDS(ON)

VGS＝4.5V，ID＝50A

—

0.95

1.35

mΩ

VGS＝10V，ID＝50A

—

0.65

0.80

电容（Ciss／Crss／Coss）

在MOSFET中，栅极由一层薄的氧化硅实现绝缘。因此，功率MOSFET在栅极-漏极、栅极-源极和漏极-源极之间具有电容，具体如下图所示.

数据表说明

特性

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

输入电容

Ciss

VDS＝20V，VGS＝0V，f＝1MHz

—

7370

9600

pF

Crss

—

58

—

输出电容

COSS

—

1930

—

开关特性

由于功率MOSFET为多数载流子器件，因此与双极晶体管相比，其速度更快，并且能以更高的频率进行开关操作。
开关时间测量电路和输入／输出波形如下所示。

td(on):导通延迟时间
指从栅极-源极电压升高超过VGS的10%，到漏极-源极电压达到VDS的90%的时间。

tr：上升时间
指漏极-源极电压从VDS的90%降至10%的所需时间。

ton：导通时间
导通时间等于td(on)＋tr。

td(off)：关断延迟时间
指从栅极-源极电压降至VGS的90%以下，到漏源电压达到VDS的10%的时间。

tf：下降时间
指漏极-源极电压从VDS的10%升至90%的用时。

toff：关断时间
关断时间等于td(off)+tf。

数据表说明

特性

符号

最小值

典型值

最大值

单位

开关时间

上升时间

tr

—

13

—

ns

导通时间

ton

—

26

—

下降时间

tf

—

14

—

关断时间

toff

—

63

—

栅极电荷

由于MOSFET的栅极（G）输入端子是绝缘的，因此从栅极看到的电荷量Q是重要特性。图1.5展示了栅极电荷特性的定义。

总栅极电荷Qg

向栅极施加电压（从零电压到指定电压）的电荷量

栅极-源极电荷1Qgs1

MOSFET开始导通所需的电荷量（在降低漏源电压之前）

栅极-漏极电荷Qgd

米勒平台（Millerplateau）上的栅极电荷量

栅极开关电荷Qsw

从栅极-源极电压达到Vth到米勒平台（Millerplateau）结束时存储在栅极电容中的电荷量

输出电荷Qoss

漏源电荷

栅极电荷量的定义见下图。

数据表说明

特性

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

总栅极电荷

Qg

VDD≈20V，VGS＝10V，ID＝50A

—

103

—

nC

VDD≈20V，VGS＝4.5V，ID＝50A

—

49

—

栅极-源极电荷1

Qgs1

VDD≈20V，VGS＝5V，ID＝50A

—

25

—

栅极-漏极电荷

Qgd

—

12.4

—

栅极开关电荷

QSW

—

23

—

输出电荷

QOSS

VDS＝20V，VGS＝0V

—

85.4

—

功率MOSFET在源极与漏极之间具有相当于一个二极管的电路结构。对于适合使用这种体二极管的应用产品，数据表中列出了以下特性。

反向漏极电流（DC）／反向漏极电流（脉冲）IDR／IDRP
正向流过MOSFET的体二极管的最大电流

二极管正向电压VDSF
当电流正向施加到MOSFET的体二极管时出现的漏源电压

反向恢复时间trr

二极管反向恢复电荷Qrr

二极管反向恢复峰值电流Irr
在规定的测试条件下，体二极管执行反向恢复操作时，反向恢复电流达到零所需的时间trr和电荷量Qrr
此期间的峰值电流为Irr

二极管dv/dt能力dv/dt
指二极管反向恢复时间内允许的最大电压斜率

数据表说明

特性

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

二极管正向电压

VDSF

IDR＝30.8A，VGS＝0V

-

-

-1.7

V

反向恢复时间

trr

IDR＝15.4A，VGS＝0V
-dIDR/dt＝100A/μs

-

135

220

ns

二极管反向恢复电荷

Qrr

-

0.6

-

μC

二极管反向恢复峰值电流

Irr

-

10

-

A

二极管dv/dt能力dv/dt

dv/dt

IDR＝15.4A，VGS＝0V，VDD＝400V

50

-

-

V/ns