MOSFET基本原理、參數及米勒效應全解

1MOSFET基本工作原理

1.1小功率MOSFET

場效應管（FET）是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件，由于緊靠半導體中的多數載流子導電，又稱單極型晶體管。場效應管分為結型和絕緣柵兩種，因為絕緣柵型晶體管（MOSFET，下面簡稱MOS管）的柵源間電阻比結型大得多且比結型場效應管溫度穩(wěn)定性好、集成化時工藝簡單，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，每一類又分為增強型和耗盡型兩種，只要柵極-源極電壓uGS為零時漏極電流也為零的管子均屬于增強型管，只要柵極-源極電壓uGS為零時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。但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易制造。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。MOS管的三個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生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免。漏極和源極之間有一個寄生二極管，叫體二極管，在驅動感性負載(如電機)，這個二極管很重要。體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。N溝道增強型MOS管如下圖所示：

圖1 N溝道增強型MOSFET結構示意圖及符號

N溝道增強型MOS管基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極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uGS＝0V時，，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SiO2一側的空穴，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層。漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流（如下圖所示）。

圖2 溝道的形成

當柵極加有電壓時，若0<uGS<UGS(th)（UGS(th)稱為開啟電壓）時，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N型薄層，稱為反型層。這個反型層就構成了漏-源之間的導電溝道。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，導電溝道電阻越小。當uGS較小時，將襯底的自由電子吸引到耗盡層和絕緣層之間的數量還非常少，不足以形成漏極電流iD。

進一步增加uGS，當uGS>UGS(th)時，由于此時的柵極電壓已經比較強，在靠近柵極下方的P型半導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。如果此時加有漏-源電壓，就可以形成漏極電流iD。在uDS較小的時候，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，溝道在漏極一側出現夾斷點，稱為預夾斷。如果uDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長，而且uDS的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對漏極電流的阻力。從外部看，iD幾乎不因uDS的增大而變化，管子進入恒流區(qū)，iD幾乎僅決定于uGS。在uDS>uGS-UGS(th)時，對應的每一個uGS就有一個確定的iD。此時，可以將iD視為電壓uGS控制的電流源。

iD與uGS的近似關系式為：

式中，ID0是uGS=2UGS(th)時的iD。

在uGS＝0V時iD＝0，只有當uGS>UGS(th)后才會出現漏極電流，所以,這種MOS管稱為增強型MOS管，如下圖所示：

圖3 uGS>UGS(th)時iD受uDS影響

uGS對漏極電流的控制關系可用轉移特性曲線描述，轉移特性曲線如下圖b所示，轉移特性曲線的斜率的大小反映了柵源電壓對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還沒有到達導電溝道導通電壓，整個MOS管還沒有開始導電。

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，不能覺得是相似的。

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

1.2 電力MOSFET

小功率MOS都是橫向導電器件，當MOS管工作在恒流區(qū)時，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。為了解決這個問題，垂直導電結構應運而生。目前電力MOSFET大都采用了垂直導電結構，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結構圖如下圖所示。

圖5 N溝道增強型電力MOSFE結構示意圖及符號

電力MOSFET的工作原理與小功率MOSFET相同，這里不再贅述，當時相對應的夾斷區(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工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)來回切換。由上面小功率MOSFET工作原理可知，在uDS>uGS-UGS(th)時，對應的每一個uGS就有一個確定的iD。此時，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

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

2 參數介紹

下面將以某品牌的低壓MOSFET為例，對MOSFET的數據參數進行詳細介紹

2.1 絕對最大參數

表1 MOSFET絕對最大參數

ID：最大漏源電流。是指場效應管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。MOSFET的工作電流不應超過ID。此參數會隨結溫度的上升而有所減小。該參數為結與管殼之間額定熱阻RthJC和管殼溫度的函數。

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 ，此參數會隨結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)，對于一定的柵-源電壓，MOSFET導通后，存在最大的漏極電流。如下圖所示，對于給定的一個柵-源電壓，如果工作點位于非飽和區(qū)域內，漏極電流的增大會提高漏-源電壓，由此增大導通損耗。長時間工作在大功率之下，將導致器件失效。因此，在典型柵極驅動電壓下，需要將額定ID，pulse設定在區(qū)域之下。區(qū)域的分界點在uGS和曲線（圖中紅色）相交點。

規(guī)格書中會定義最大持續(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中并不包含開關損耗，并且實際使用時表面溫度也很難保持在25℃，因此，實際應用中最大的開關電流通常小于ID額定值（25℃下的值）的一半，通常在1/3～1/4。

EAS：單脈沖雪崩擊穿能量：如果電壓過沖值(通常由于漏電流和雜散電感造成)未超過擊穿電壓，則器件不會發(fā)生雪崩擊穿，因此也就不需要消散雪崩擊穿的能力。雪崩擊穿能量標定了器件可以容忍的瞬時過沖電壓的安全值，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定義額定EAS。EAS標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：重復雪崩能量。在很多MOSFET規(guī)格書上，還會注明EAR。重復雪崩能量已經成為“工業(yè)標準”，但是在沒有設定頻率，其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數沒有任何意義。散熱(冷卻)狀況經常制約著重復雪崩能量。對于雪崩擊穿所產生的能量高低也很難預測。額定EAR的真實意義在于標定了器件所能承受的反復雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對頻率做任何限制，從而器件不會過熱，這對于任何可能發(fā)生雪崩擊穿的器件都是現實的。

VGS：最大柵源電壓。是指柵源間反向電流開始急劇增加時的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性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小于Ptot并留有一定余量。此參數一般會隨結溫度的上升而有所減小。

表4 最大耗散功率

RthJC：結到管殼的熱阻。熱阻是從芯片的表面到器件外部之間的電阻，功率損失的結果是使器件自身產生熱量，熱阻就是要將芯片產生的熱量和功耗聯(lián)系起來。注意ATP的熱阻測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對生產工藝的變化。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。通常情況下這個裕度的值不會公布。

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

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的結溫，基本原則就是任何情況下，結溫不能超過規(guī)格書里定義的最高溫度。而結溫是由環(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)格書里面會定義兩個功率損耗參數，一個是歸算到芯片表面的功率損耗RthJC，另一個是歸算到環(huán)境溫度的功率損耗RthJA。

重點強調一點，與功耗溫度曲線密切相關的重要參數熱阻，是材料和尺寸或者表面積的函數。隨著結溫的升高，允許的功耗會隨之降低。根據最大結溫和熱阻，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，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，這個值更有現實意義。

Tj：最大工作結溫。通常為150℃或175℃，器件設計的工作條件下須確應避免超過這個溫度，并留有一定裕量。

Tstg：存儲溫度范圍。

表6 MOSFET存儲溫度

2.2 靜態(tài)電氣參數

表7 MOSFET靜態(tài)參數

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

圖9 V（BR）DSS隨溫度變化關系

VGS（th）：就是前面基本原理講的開啟電壓（閥值電壓）。當外加柵極控制電壓uGS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。應用中，常將漏極短接條件下ID等于1毫安時的柵極電壓稱為開啟電壓。此參數一般會隨結溫度的上升而有所降低。

圖10 VGS（th）隨溫度變化關系

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

IGSS：柵源驅動電流或反向電流。由于MOSFET輸入阻抗很大，IGSS一般在納安級。

表8 靜態(tài)電流

RDS（on）：在特定的uGS（一般為10V）、結溫及漏極電流的條件下，MOSFET導通時漏源間的最大阻抗。它是一個非常重要的參數，決定了MOSFET導通時的消耗功率。此參數一般會隨結溫度的上升而有所增大。故應以此參數在最高工作結溫條件下的值作為損耗及壓降計算。

圖11 RDS（on）隨ID變化關系

RG：柵極等效輸入電阻。

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

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

表9 MOSFET的跨導

圖12 MOSFET轉移特性曲線

2.3 動態(tài)電氣特性

表10 MOSFET動態(tài)特性

Ciss：輸入電容，將漏源短接，用交流信號測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）。當輸入電容充電致閾值電壓時器件才能開啟，放電致一定值時器件才可以關斷。因此驅動電路和Ciss對器件的開啟和關斷延時有著直接的影響。

Coss：輸出電容，將柵源短接，用交流信號測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。對于開關的上升和下降時間來說是其中一個重要的參數。輸入電容、輸出電容和反向傳輸電容隨uDS變化關系如下圖所示。

圖13 MOSFET寄生電容隨VDS變化曲線

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

tr：上升時間。輸出電壓uDS（out）從90%下降到其幅值10%的時間。

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

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

表11 MOSFET開通關斷時間

圖14 MOSFET開通關斷時間

QG：柵極總充電電量。MOSFET是電壓型驅動器件，驅動的過程就是柵極電壓的建立過程，這是通過對柵源及柵漏之間的電容充電來實現的。

QGS：柵源充電電量。

QGD：柵漏充電電量。

關于MOSFET寄生電容及其開通關斷過程，第三節(jié)會詳細進行介紹。

2.4 體二極管參數

表12 MOSFET的體二極管參數

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：正向導通壓降，和MOSFET導通損耗有關。

trr：反向恢復時間。

Qrr：反向恢復充電電量。

圖15 體二極管變化曲線

2.5 安全工作區(qū)（SOA，Safeoperating area）

功率MOS在使用過程中是否能夠安全持續(xù)的工作，是設計者必須要考慮的問題，設計者在應用MOS時，必須考慮MOS的SOA區(qū)間。SOA是由幾個限制條件組成的一個漏源極電壓uDS和漏極電流iD的關系圖，MOSFET正常工作時的電壓和電流都不應該超過該限定范圍。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安全的工作。

圖16 MOSFET的SOA

a黃色：當漏-源之間電壓電壓uDS比較小時，iD通過的電流大小主要由MOSFET的RDS（on）來進行限制。在該區(qū)域內，當uDS電壓與環(huán)境溫度條件不變時時，我們近似把RDS（on）看成一個常數，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uDS升高到一定的值以后，MOSFET的SOA主要由MOS的耗散功率來進行限制，而圖中DC曲線則表示當流過電流為連續(xù)的直流電流時，MOSFET可以耐受的電流能力。其它標示著時間的曲線則表示MOSFET可以耐受的單個脈沖電流（寬度為標示時間）的能力。單次脈沖是指單個非重復(單個周期)脈沖，單脈沖測試的是管子瞬間耐受耗散功率（雪崩能量）的能力，從這部分曲線來看，時間越短，可以承受的瞬間耗散功率就越大。在上面最大參數耗散損耗中我們已經給出了相對應的計算公式。

c藍色：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，也就是上面參數中的V（BR）DSS，如果uDS電壓過高，PN結會發(fā)生反偏雪崩擊穿，造成MOS管損壞。

需要特別注意的是，在實際的應用中，必須確保MOS管工作在SOA區(qū)域以內，超出限制區(qū)域會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得的，實際應用的時候隨著環(huán)境溫度的變化，SOA曲線也會隨之變化。所以為了保證MOSFET工作在絕對的SOA之內，一般使用MOSFET的時候，需要對SOA區(qū)域進行降額使用。

3 MOSFET開關過程分析

下面詳細分析MOSFET開通關斷過程，以及米勒平臺的形成。對于MOSFET，米勒效應（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。由于米勒效應，MOSFET柵極驅動過程中，會形成平臺電壓，引起開關時間變長，開關損耗增加，給MOS管的正常工作帶來非常不利的影響。

3.1 開通過程

圖17 MOSFET的開通時刻電量變化

下面以上圖為例，對MOSFET開通過程進行分析。

在t0到t1時刻，從t0時刻開始，uGS開始上升的時候，驅動電流Ig為CGS充電，uDS上升，這個過程中，uDS保持不變，ID為零。一直到t1時刻，uGS上升到uGS（th），也就是門極開啟電壓時候。在t1時刻以前，MOS處于截止區(qū)。

圖18 MOSFET的開通時刻1

從t1時刻開始，MOS管因為uGS超過其閾值電壓而開始導通。MOSFET的漏極電流ID慢慢上升，負載電流流經續(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載電流，在開關開通的這個過程中可以認為負載電流是沒有變化的。這個時間段內驅動電流仍然是為CGS充電。到t2時刻，ID上升到和負載電流一樣，換流結束。在負載電流上升的這個過程中uDS會稍微有一些下降，這是因為下降的di/dt在雜散電感上面形成一些壓降，所以側到的uDS會有一些下降。從t1時刻開始，MOS進入了飽和區(qū)。在進入米勒平臺前，漏源電壓由于被二極管鉗位保持不變，MOS管的導電溝道處于夾斷狀態(tài)。

圖19 MOSFET的開通時刻2

從t2時刻開始，由于MOSFET中的電流已經上升達到負載中的電流，MOSFET的漏極不再被鉗位。這也就意味著，導電溝道由于被VDD鉗位而導致的夾斷狀態(tài)被解除，導電溝道靠近漏極側的溝道漸漸變寬，從而使溝道的導通電阻降低。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 ，柵極驅動電流開始給CGD充電。由于從t1時刻開始，MOS進入了飽和區(qū)，在飽和有轉移特性：ID=uGS*Gfs?？梢钥闯觯灰狪D不變uGS就不變。ID在上升到最大值以后，也就是MOSFET和體二極管換流結束后，ID就等于負載電流，而此時又處于飽和區(qū)，所以uGS就會維持不變，柵極電壓uGS保持不變呈現出一段平臺期就是維持米勒平臺的電壓，這個平臺稱為米勒平臺。米勒平臺一直維持到uDS電壓降低到MOSFET進入線性區(qū)直到t3時刻。

圖20 MOSFET的開通時刻3

從t3時刻開始，MOSFET工作在線性電阻區(qū)。柵極驅動電流同時給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的導電溝道也開始變寬，導通壓降會進一步降低。當uGS增加到一定電壓時，MOS管進入完全導通狀態(tài)。

圖21 MOSFET的開通時刻4

圖22 MOSFET的開通過程在輸出特性曲線上展示

上圖22標示了在開通時不同階段對應在MOSFET輸出曲線的位置。當uGS超過其閾值電壓（t1）后，ID電流隨著uGS的增加而上升。當ID上升到和電感電流值時，進入米勒平臺期（t2-t3）。這個時候uDS不再被鉗位，MOSFET夾斷區(qū)變小，直到MOSFET進入線性電阻區(qū)。進入線性電阻區(qū)（t3）后，uGS繼續(xù)上升，導電溝道也隨之變寬，MOSFET導通壓降進一步降低。MOSFET完全導通（t4）。