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風(fēng)陵渡口話EMC
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功率MOSFET系列(二):MOSFET管的靜態(tài)參數(shù)

 MOS管靜態(tài)參數(shù)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(qū)動電流或反向電流IGSS、導(dǎo)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(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。加在場效應(yīng)管上的工作電壓必須小于V(BR)DSS,且具有正溫度特性,應(yīng)以此參數(shù)在低溫條件下的值作為安全考慮,是極限參數(shù)。開啟電壓VGS(TH)當(dāng)外加?xùn)艠O控制電壓VGS超過VGS(TH)時,漏區(qū)和源區(qū)的表面反型層形成了連接的溝道,應(yīng)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(dǎo)通電阻RDS(on)    MOS管導(dǎo)通時,其漏極與源極之間所有的電阻總和。主要構(gòu)成部分如下圖所示:

圖1:導(dǎo)通電阻RDSON等效電路

  • RDSON詳細構(gòu)成

RN+:源極N+擴散區(qū)中的電阻,占很小,高壓中可忽略;RCH:溝道區(qū)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(qū)間形成-電流。在此聚集區(qū)域的電阻即為RA。電阻值隨著聚集區(qū)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(dāng)于減小了聚集區(qū)的長度,故RA會隨著RJ的增大而減小。RJ:在P型區(qū)間的N-外延層當(dāng)中的電阻;RD:在P區(qū)與襯底間的電阻,高壓MOS中的占比最大;RS:襯底區(qū)的電阻,高壓可忽略,50V的MOS管中有相當(dāng)大的影響。另外,RDSON會隨著漏極-源極的金屬材質(zhì)、N+半導(dǎo)體區(qū)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(zhuǎn)折電壓(又稱零溫度系數(shù)點,約VGS=5.5V),轉(zhuǎn)折電壓略為大于VTH電壓,在轉(zhuǎn)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(qū)域為負溫度系數(shù)區(qū)域。負溫度特性存在于開關(guān)轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)過程中,功率MOS管的內(nèi)部由許多小的MOS晶胞并聯(lián)組成。所有單元的G極和S極由內(nèi)部金屬導(dǎo)體連接匯集在晶元的某一位置,然后由導(dǎo)線引出的管腳。這樣離匯集點越遠的單元,G極的等效串聯(lián)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(qū)域停留時間過長,局部晶胞可能會出現(xiàn)過熱擊穿的情況,容易出現(xiàn)局部熱點損壞。    

圖3:RDSON正溫度特性曲線

在轉(zhuǎn)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(qū)域為正溫度系數(shù)區(qū)域,功率MOS管內(nèi)的晶胞單元會自動均流?!局匾R點】正溫度系數(shù)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(qū)SQA遠大于三極管的安全工作區(qū),也是MOS管可以用于并聯(lián)使用的主要原因之一。沒有三極管的二次擊穿現(xiàn)象(元胞自動均流的結(jié)果),導(dǎo)致高溫下功耗加大,同時使散熱設(shè)計變得復(fù)雜。

  • 飽和漏源電流(IDSS)

在漏-源間加上V(BR)DSS和在125℃環(huán)境溫度時80% V(BR)DSS,G-S極短接下測得;正溫度系數(shù),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(qū)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(zhì)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(qū)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(nèi)也會對柵極氧化層產(chǎn)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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