MOSFET基本原理、參數(shù)及米勒效應(yīng)全解

1MOSFET基本工作原理

1.1小功率MOSFET

場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，由于緊靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵兩種，因?yàn)榻^緣柵型晶體管（MOSFET，下面簡(jiǎn)稱MOS管）的柵源間電阻比結(jié)型大得多且比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時(shí)工藝簡(jiǎn)單，因而目前普遍采用絕緣柵型晶體管。

MOS管分為N溝道和P溝道兩類，每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，只要柵極-源極電壓uGS為零時(shí)漏極電流也為零的管子均屬于增強(qiáng)型管，只要柵極-源極電壓uGS為零時(shí)漏極電流不為零的管子均屬于耗盡型管，這樣就形成了四種類型。但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有辦法避免。漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管，叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如電機(jī))，這個(gè)二極管很重要。體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。N溝道增強(qiáng)型MOS管如下圖所示：

圖1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)

N溝道增強(qiáng)型MOS管基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。當(dāng)uGS＝0V時(shí)，，由于SiO2的存在，柵極電流為0。但是柵極金屬層將聚集正電荷，他們排斥P型襯底靠近SiO2一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層。漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流（如下圖所示）。

圖2 溝道的形成

當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0<uGS<UGS(th)（UGS(th)稱為開啟電壓）時(shí)，一方面耗盡層加寬，另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層和絕緣層之間，形成一個(gè)N型薄層，稱為反型層。這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏-源之間的導(dǎo)電溝道。使溝道剛剛形成的柵-源電壓就是開啟電壓UGS(th)。uGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。當(dāng)uGS較小時(shí)，將襯底的自由電子吸引到耗盡層和絕緣層之間的數(shù)量還非常少，不足以形成漏極電流iD。

進(jìn)一步增加uGS，當(dāng)uGS>UGS(th)時(shí)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏-源電壓，就可以形成漏極電流iD。在uDS較小的時(shí)候，uDS的增大使得iD線性增大，溝道沿源-漏方向逐漸變窄。一旦uDS增大到使uGD=UGS(th)（即uDS=uGS-UGS(th)）時(shí)，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，稱為預(yù)夾斷。如果uDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng)，而且uDS的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對(duì)漏極電流的阻力。從外部看，iD幾乎不因uDS的增大而變化，管子進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎僅決定于uGS。在uDS>uGS-UGS(th)時(shí)，對(duì)應(yīng)的每一個(gè)uGS就有一個(gè)確定的iD。此時(shí)，可以將iD視為電壓uGS控制的電流源。

iD與uGS的近似關(guān)系式為：

式中，ID0是uGS=2UGS(th)時(shí)的iD。

在uGS＝0V時(shí)iD＝0，只有當(dāng)uGS>UGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，所以,這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管，如下圖所示：

圖3 uGS>UGS(th)時(shí)iD受uDS影響

uGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用轉(zhuǎn)移特性曲線描述，轉(zhuǎn)移特性曲線如下圖b所示，轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

圖4 MOSFET特性曲線

上圖a稱為輸出特性曲線，曲線中在uGS=2V的曲線下方可以成為截止區(qū)，該區(qū)域的情況是uGS還沒(méi)有到達(dá)導(dǎo)電溝道導(dǎo)通電壓，整個(gè)MOS管還沒(méi)有開始導(dǎo)電。

可變電阻區(qū)又稱為放大區(qū)，在uDS一定的的情況下iD的大小直接受到uGS的控制，且基本為線性關(guān)系。注意三極管中的放大區(qū)和MOS管的放大區(qū)有很大區(qū)別，不能覺(jué)得是相似的。

恒流區(qū)又稱為飽和區(qū)，此時(shí)iD大小只受到uGS的控制，uDS變化過(guò)程中iD的大小不變。

1.2 電力MOSFET

小功率MOS都是橫向?qū)щ娖骷?，?dāng)MOS管工作在恒流區(qū)時(shí)，管子的耗散功率主要消耗在漏極一端的夾斷區(qū)上，并且由于漏極所連接的區(qū)域（稱為漏區(qū)）不大，無(wú)法散發(fā)很多的熱量，所以MOS管不能承受較大的功率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。目前電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱之為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。電力MOSFET結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

圖5 N溝道增強(qiáng)型電力MOSFE結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)

電力MOSFET的工作原理與小功率MOSFET相同，這里不再贅述，當(dāng)時(shí)相對(duì)應(yīng)的夾斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)變?yōu)榱私刂箙^(qū)、飽和區(qū)和非飽和區(qū)（靜態(tài)特性曲線如下圖所示）。電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)來(lái)回切換。由上面小功率MOSFET工作原理可知，在uDS>uGS-UGS(th)時(shí)，對(duì)應(yīng)的每一個(gè)uGS就有一個(gè)確定的iD。此時(shí)，可以將iD視為電壓uGS控制的電流源。所以電力MOSFET又稱為電壓控制電流器件，輸入阻抗極高，輸入電流非常小。

圖6 電力MOSFE特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線是指漏極電流iD和柵-源間電壓uGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。當(dāng)iD較大時(shí)，iD與uGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即

2 參數(shù)介紹

下面將以某品牌的低壓MOSFET為例，對(duì)MOSFET的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹

2.1 絕對(duì)最大參數(shù)

表1 MOSFET絕對(duì)最大參數(shù)

ID：最大漏源電流。是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過(guò)的最大電流。MOSFET的工作電流不應(yīng)超過(guò)ID。此參數(shù)會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減小。該參數(shù)為結(jié)與管殼之間額定熱阻RthJC和管殼溫度的函數(shù)。

上面兩式合并，求解ID，可得：

ID，pulse：最大脈沖漏源電流。

圖7 ID隨溫度變化曲線

反映了器件可以處理的脈沖電流的高低 ，此參數(shù)會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減小。定義ID，pulse的目的在于：在非飽和區(qū)，對(duì)于一定的柵-源電壓，MOSFET導(dǎo)通后，存在最大的漏極電流。如下圖所示，對(duì)于給定的一個(gè)柵-源電壓，如果工作點(diǎn)位于非飽和區(qū)域內(nèi)，漏極電流的增大會(huì)提高漏-源電壓，由此增大導(dǎo)通損耗。長(zhǎng)時(shí)間工作在大功率之下，將導(dǎo)致器件失效。因此，在典型柵極驅(qū)動(dòng)電壓下，需要將額定ID，pulse設(shè)定在區(qū)域之下。區(qū)域的分界點(diǎn)在uGS和曲線（圖中紅色）相交點(diǎn)。

規(guī)格書中會(huì)定義最大持續(xù)漏極電流和最大脈沖電流。一般規(guī)格書中最大脈沖電流會(huì)定義在最大持續(xù)電流的4倍，并且隨著脈沖寬度的增加，最大脈沖電流會(huì)隨之減少，主要原因就是MOSFET的溫度特性。從上圖（b）可以看出，最大持續(xù)漏極電流除了受到封裝的限制，還與溫度關(guān)系密切。需要指出得是上面提到的最大持續(xù)漏極電流ID中并不包含開關(guān)損耗，并且實(shí)際使用時(shí)表面溫度也很難保持在25℃，因此，實(shí)際應(yīng)用中最大的開關(guān)電流通常小于ID額定值（25℃下的值）的一半，通常在1/3～1/4。

EAS：?jiǎn)蚊}沖雪崩擊穿能量：如果電壓過(guò)沖值(通常由于漏電流和雜散電感造成)未超過(guò)擊穿電壓，則器件不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，因此也就不需要消散雪崩擊穿的能力。雪崩擊穿能量標(biāo)定了器件可以容忍的瞬時(shí)過(guò)沖電壓的安全值，其依賴于雪崩擊穿需要消散的能量。定義額定雪崩擊穿能量的器件通常也會(huì)定義額定EAS。EAS標(biāo)定了器件可以安全吸收反向雪崩擊穿能量的高低。

表2 單脈沖雪崩擊穿能量

EAR：重復(fù)雪崩能量。在很多MOSFET規(guī)格書上，還會(huì)注明EAR。重復(fù)雪崩能量已經(jīng)成為“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，但是在沒(méi)有設(shè)定頻率，其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數(shù)沒(méi)有任何意義。散熱(冷卻)狀況經(jīng)常制約著重復(fù)雪崩能量。對(duì)于雪崩擊穿所產(chǎn)生的能量高低也很難預(yù)測(cè)。額定EAR的真實(shí)意義在于標(biāo)定了器件所能承受的反復(fù)雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對(duì)頻率做任何限制，從而器件不會(huì)過(guò)熱，這對(duì)于任何可能發(fā)生雪崩擊穿的器件都是現(xiàn)實(shí)的。

VGS：最大柵源電壓。是指柵源間反向電流開始急劇增加時(shí)的VGS值

表3 最大柵源電壓

Ptot：最大耗散功率（又寫做PD）。在保證MOSFET性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于Ptot并留有一定余量。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減小。

表4 最大耗散功率

RthJC：結(jié)到管殼的熱阻。熱阻是從芯片的表面到器件外部之間的電阻，功率損失的結(jié)果是使器件自身產(chǎn)生熱量，熱阻就是要將芯片產(chǎn)生的熱量和功耗聯(lián)系起來(lái)。注意ATP的熱阻測(cè)試顯示管殼的塑料部分與金屬部分的溫度相同。最大的RthJC值留有一定的裕度以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)工藝的變化。由于制作工藝的提高，工業(yè)上趨向于減小最大RthJC和典型值之間的裕度。通常情況下這個(gè)裕度的值不會(huì)公布。

ZthJC結(jié)到管殼瞬態(tài)熱阻抗。瞬態(tài)熱阻抗主要考慮的是器件的熱容，所以它可以用做評(píng)估由于瞬態(tài)功率損失所產(chǎn)生的當(dāng)前的溫度。

RthJA：歸算到環(huán)境溫度的功率損耗熱阻。

表5 MOSFET熱阻

MOSFET的功率損耗主要受限于MOSFET的結(jié)溫，基本原則就是任何情況下，結(jié)溫不能超過(guò)規(guī)格書里定義的最高溫度。而結(jié)溫是由環(huán)境溫度和MOSFET自身的功耗決定的。下圖是典型的功率損耗與MOSFET表面結(jié)溫的曲線圖。

圖8 MOSFET熱阻隨溫度變化曲線

一般MOSFET的規(guī)格書里面會(huì)定義兩個(gè)功率損耗參數(shù)，一個(gè)是歸算到芯片表面的功率損耗RthJC，另一個(gè)是歸算到環(huán)境溫度的功率損耗RthJA。

重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，與功耗溫度曲線密切相關(guān)的重要參數(shù)熱阻，是材料和尺寸或者表面積的函數(shù)。隨著結(jié)溫的升高，允許的功耗會(huì)隨之降低。根據(jù)最大結(jié)溫和熱阻，可以推算出MOSFET可以允許的最大功耗。歸算到環(huán)境溫度的熱阻是布板，散熱片和散熱面積的函數(shù)，如果散熱條件良好，可以極大提升MOSFET的功耗水平。特別指出，如果采用熱阻RthJA的話可以估算出特定溫度下的ID，這個(gè)值更有現(xiàn)實(shí)意義。

Tj：最大工作結(jié)溫。通常為150℃或175℃，器件設(shè)計(jì)的工作條件下須確應(yīng)避免超過(guò)這個(gè)溫度，并留有一定裕量。

Tstg：存儲(chǔ)溫度范圍。

表6 MOSFET存儲(chǔ)溫度

2.2 靜態(tài)電氣參數(shù)

表7 MOSFET靜態(tài)參數(shù)

V（BR）DSS：漏源擊穿電壓。是指柵源電壓VGS為0時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于V（BR）DSS。V（BR）DSS隨溫度變化關(guān)系如下圖所示，它具有正溫度特性。故應(yīng)以此參數(shù)在低溫條件下的值作為安全考慮。

圖9 V（BR）DSS隨溫度變化關(guān)系

VGS（th）：就是前面基本原理講的開啟電壓（閥值電壓）。當(dāng)外加?xùn)艠O控制電壓uGS超過(guò)VGS（th）時(shí)，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1毫安時(shí)的柵極電壓稱為開啟電壓。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所降低。

圖10 VGS（th）隨溫度變化關(guān)系

IDSS：飽和漏源電流，柵極電壓uGS=0、uDS為一定值時(shí)的漏源電流。一般在微安級(jí)。

IGSS：柵源驅(qū)動(dòng)電流或反向電流。由于MOSFET輸入阻抗很大，IGSS一般在納安級(jí)。

表8 靜態(tài)電流

RDS（on）：在特定的uGS（一般為10V）、結(jié)溫及漏極電流的條件下，MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏源間的最大阻抗。它是一個(gè)非常重要的參數(shù)，決定了MOSFET導(dǎo)通時(shí)的消耗功率。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所增大。故應(yīng)以此參數(shù)在最高工作結(jié)溫條件下的值作為損耗及壓降計(jì)算。

圖11 RDS（on）隨ID變化關(guān)系

RG：柵極等效輸入電阻。

Gfs：跨導(dǎo)。是指漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比，是柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力大小的量度。在轉(zhuǎn)移特性曲線中，

。從下圖轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出，溫度不同，VGS（th）不同，相應(yīng)的跨導(dǎo)差別很大。

表9 MOSFET的跨導(dǎo)

圖12 MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線

2.3 動(dòng)態(tài)電氣特性

表10 MOSFET動(dòng)態(tài)特性

Ciss：輸入電容，將漏源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的柵極和源極之間的電容 。Ciss是由柵漏電容CGD和柵源電容CGS并聯(lián)而成，或者Ciss=CGD+CGS（CGD為柵-漏極間電容，CGS為柵-源極間電容）。當(dāng)輸入電容充電致閾值電壓時(shí)器件才能開啟，放電致一定值時(shí)器件才可以關(guān)斷。因此驅(qū)動(dòng)電路和Ciss對(duì)器件的開啟和關(guān)斷延時(shí)有著直接的影響。

Coss：輸出電容，將柵源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的漏極和源極之間的電容。Coss是由漏源電容CDS和柵漏電容CGD并聯(lián)而成，或者Coss=CDS+CGD（CDS為漏-源極間電容）。Coss非常重要，可能引起電路的諧振。

Crss：反向傳輸電容，在源極接地的情況下，測(cè)得的漏極和柵極之間的電容，反向傳輸電容等同于柵漏電容，Crss=CGD。對(duì)于開關(guān)的上升和下降時(shí)間來(lái)說(shuō)是其中一個(gè)重要的參數(shù)。輸入電容、輸出電容和反向傳輸電容隨uDS變化關(guān)系如下圖所示。

圖13 MOSFET寄生電容隨VDS變化曲線

td（on）：導(dǎo)通延遲時(shí)間。從有輸入電壓上升到10%開始到uDS（out）下降到其幅值90%的時(shí)間(如下圖示)。

tr：上升時(shí)間。輸出電壓uDS（out）從90%下降到其幅值10%的時(shí)間。

Td（off）：關(guān)斷延遲時(shí)間。輸入電壓下降到90%開始到uDS（out）上升到其關(guān)斷電壓時(shí)10%的時(shí)間。

tf：下降時(shí)間。輸出電壓 uDS（out）從10%上升到其幅值90%的時(shí)間，參照下圖所示。

表11 MOSFET開通關(guān)斷時(shí)間

圖14 MOSFET開通關(guān)斷時(shí)間

QG：柵極總充電電量。MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)的過(guò)程就是柵極電壓的建立過(guò)程，這是通過(guò)對(duì)柵源及柵漏之間的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

QGS：柵源充電電量。

QGD：柵漏充電電量。

關(guān)于MOSFET寄生電容及其開通關(guān)斷過(guò)程，第三節(jié)會(huì)詳細(xì)進(jìn)行介紹。

2.4 體二極管參數(shù)

表12 MOSFET的體二極管參數(shù)

IS：連續(xù)最大續(xù)流電流（從源極）。

ISM：脈沖最大續(xù)流電流（從源極）。

VSD：正向?qū)▔航?，和MOSFET導(dǎo)通損耗有關(guān)。

trr：反向恢復(fù)時(shí)間。

Qrr：反向恢復(fù)充電電量。

圖15 體二極管變化曲線

2.5 安全工作區(qū)（SOA，Safeoperating area）

功率MOS在使用過(guò)程中是否能夠安全持續(xù)的工作，是設(shè)計(jì)者必須要考慮的問(wèn)題，設(shè)計(jì)者在應(yīng)用MOS時(shí)，必須考慮MOS的SOA區(qū)間。SOA是由幾個(gè)限制條件組成的一個(gè)漏源極電壓uDS和漏極電流iD的關(guān)系圖，MOSFET正常工作時(shí)的電壓和電流都不應(yīng)該超過(guò)該限定范圍。MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線綜合了MOSFET的耐壓、耐電流、功率損耗及封裝特性等限制。定義了最大的漏源極電壓值、漏極電流值，以保證器件在正向偏置時(shí)安全的工作。

圖16 MOSFET的SOA

a黃色：當(dāng)漏-源之間電壓電壓uDS比較小時(shí)，iD通過(guò)的電流大小主要由MOSFET的RDS（on）來(lái)進(jìn)行限制。在該區(qū)域內(nèi)，當(dāng)uDS電壓與環(huán)境溫度條件不變時(shí)時(shí)，我們近似把RDS（on）看成一個(gè)常數(shù)，滿足歐姆定律，由此得出

所以上面黃色部分線近似為一條直線。

b綠色：當(dāng)uDS升高到一定的值以后，MOSFET的SOA主要由MOS的耗散功率來(lái)進(jìn)行限制，而圖中DC曲線則表示當(dāng)流過(guò)電流為連續(xù)的直流電流時(shí)，MOSFET可以耐受的電流能力。其它標(biāo)示著時(shí)間的曲線則表示MOSFET可以耐受的單個(gè)脈沖電流（寬度為標(biāo)示時(shí)間）的能力。單次脈沖是指單個(gè)非重復(fù)(單個(gè)周期)脈沖，單脈沖測(cè)試的是管子瞬間耐受耗散功率（雪崩能量）的能力，從這部分曲線來(lái)看，時(shí)間越短，可以承受的瞬間耗散功率就越大。在上面最大參數(shù)耗散損耗中我們已經(jīng)給出了相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。

c藍(lán)色：MOSFET最大單次脈沖電流ID，pulse限制線，如本例就是548A。

d紅色：MOS管所能承受的uDS最大電壓，也就是上面參數(shù)中的V（BR）DSS，如果uDS電壓過(guò)高，PN結(jié)會(huì)發(fā)生反偏雪崩擊穿，造成MOS管損壞。

需要特別注意的是，在實(shí)際的應(yīng)用中，必須確保MOS管工作在SOA區(qū)域以內(nèi)，超出限制區(qū)域會(huì)造成電子元器件的損壞。而且上圖中的SOA安全區(qū)域是在一定的特定條件下測(cè)得的，實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候隨著環(huán)境溫度的變化，SOA曲線也會(huì)隨之變化。所以為了保證MOSFET工作在絕對(duì)的SOA之內(nèi)，一般使用MOSFET的時(shí)候，需要對(duì)SOA區(qū)域進(jìn)行降額使用。

3 MOSFET開關(guān)過(guò)程分析

下面詳細(xì)分析MOSFET開通關(guān)斷過(guò)程，以及米勒平臺(tái)的形成。對(duì)于MOSFET，米勒效應(yīng)（Miller Effect）指其輸入輸出之間的分布電容（柵漏電容）在反相放大作用下，使得等效輸入電容值放大的效應(yīng)。由于米勒效應(yīng)，MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)形成平臺(tái)電壓，引起開關(guān)時(shí)間變長(zhǎng)，開關(guān)損耗增加，給MOS管的正常工作帶來(lái)非常不利的影響。

3.1 開通過(guò)程

圖17 MOSFET的開通時(shí)刻電量變化

下面以上圖為例，對(duì)MOSFET開通過(guò)程進(jìn)行分析。

在t0到t1時(shí)刻，從t0時(shí)刻開始，uGS開始上升的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電流Ig為CGS充電，uDS上升，這個(gè)過(guò)程中，uDS保持不變，ID為零。一直到t1時(shí)刻，uGS上升到uGS（th），也就是門極開啟電壓時(shí)候。在t1時(shí)刻以前，MOS處于截止區(qū)。

圖18 MOSFET的開通時(shí)刻1

從t1時(shí)刻開始，MOS管因?yàn)閡GS超過(guò)其閾值電壓而開始導(dǎo)通。MOSFET的漏極電流ID慢慢上升，負(fù)載電流流經(jīng)續(xù)流體二極管的電流一部分換向流入MOSFET，但是它倆的和始終等于負(fù)載電流，在開關(guān)開通的這個(gè)過(guò)程中可以認(rèn)為負(fù)載電流是沒(méi)有變化的。這個(gè)時(shí)間段內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流仍然是為CGS充電。到t2時(shí)刻，ID上升到和負(fù)載電流一樣，換流結(jié)束。在負(fù)載電流上升的這個(gè)過(guò)程中uDS會(huì)稍微有一些下降，這是因?yàn)橄陆档膁i/dt在雜散電感上面形成一些壓降，所以側(cè)到的uDS會(huì)有一些下降。從t1時(shí)刻開始，MOS進(jìn)入了飽和區(qū)。在進(jìn)入米勒平臺(tái)前，漏源電壓由于被二極管鉗位保持不變，MOS管的導(dǎo)電溝道處于夾斷狀態(tài)。

圖19 MOSFET的開通時(shí)刻2

從t2時(shí)刻開始，由于MOSFET中的電流已經(jīng)上升達(dá)到負(fù)載中的電流，MOSFET的漏極不再被鉗位。這也就意味著，導(dǎo)電溝道由于被VDD鉗位而導(dǎo)致的夾斷狀態(tài)被解除，導(dǎo)電溝道靠近漏極側(cè)的溝道漸漸變寬，從而使溝道的導(dǎo)通電阻降低。在漏極電流ID不變的情況下，漏源電壓uDS就開始下降。

uDS開始降低 ，柵極驅(qū)動(dòng)電流開始給CGD充電。由于從t1時(shí)刻開始，MOS進(jìn)入了飽和區(qū)，在飽和有轉(zhuǎn)移特性：ID=uGS*Gfs。可以看出，只要ID不變uGS就不變。ID在上升到最大值以后，也就是MOSFET和體二極管換流結(jié)束后，ID就等于負(fù)載電流，而此時(shí)又處于飽和區(qū)，所以u(píng)GS就會(huì)維持不變，柵極電壓uGS保持不變呈現(xiàn)出一段平臺(tái)期就是維持米勒平臺(tái)的電壓，這個(gè)平臺(tái)稱為米勒平臺(tái)。米勒平臺(tái)一直維持到uDS電壓降低到MOSFET進(jìn)入線性區(qū)直到t3時(shí)刻。

圖20 MOSFET的開通時(shí)刻3

從t3時(shí)刻開始，MOSFET工作在線性電阻區(qū)。柵極驅(qū)動(dòng)電流同時(shí)給CGS和CGD充電，柵極電壓又開始繼續(xù)上升。由于柵極電壓增加，MOSFET的導(dǎo)電溝道也開始變寬，導(dǎo)通壓降會(huì)進(jìn)一步降低。當(dāng)uGS增加到一定電壓時(shí)，MOS管進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。

圖21 MOSFET的開通時(shí)刻4

圖22 MOSFET的開通過(guò)程在輸出特性曲線上展示

上圖22標(biāo)示了在開通時(shí)不同階段對(duì)應(yīng)在MOSFET輸出曲線的位置。當(dāng)uGS超過(guò)其閾值電壓（t1）后，ID電流隨著uGS的增加而上升。當(dāng)ID上升到和電感電流值時(shí)，進(jìn)入米勒平臺(tái)期（t2-t3）。這個(gè)時(shí)候uDS不再被鉗位，MOSFET夾斷區(qū)變小，直到MOSFET進(jìn)入線性電阻區(qū)。進(jìn)入線性電阻區(qū)（t3）后，uGS繼續(xù)上升，導(dǎo)電溝道也隨之變寬，MOSFET導(dǎo)通壓降進(jìn)一步降低。MOSFET完全導(dǎo)通（t4）。