功率 MOSFET 基礎(chǔ)：了解 MOSFET 與 品質(zhì)因數(shù)有關(guān)的特性

簡(jiǎn)介 功率 MOSFET 已經(jīng)變成了標(biāo)準(zhǔn)選擇，被廣泛用作低壓 （<200V）開關(guān)模式電源 （SMPS）轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的主開關(guān)器 件。然而，利用制造商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)為特定電路拓?fù)溥x擇 合適的器件卻變得越來(lái)越困難。MOSFET 的主要選型標(biāo)準(zhǔn)是 與 MOSFET 有關(guān)的功率損耗 （與 SMPS 的總效率有關(guān)）和 MOSFET 的功耗能力 （與封裝的最高結(jié)溫和熱性能有關(guān)）。 本應(yīng)用指南重點(diǎn)介紹了 MOSFET 的基本特性和知識(shí)。 有幾個(gè)影響 MOSFET 柵極的因素，并且在解釋 MOSFET 特 性之前，有必要了解器件結(jié)構(gòu)方面的基礎(chǔ)知識(shí)。本應(yīng)用指南 詳細(xì)介紹了溝槽 MOSFET 結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定了寄生 元件，定義了相關(guān)術(shù)語(yǔ)。還介紹了如何以及為何會(huì)產(chǎn)生寄生 參數(shù)。由于具有各種拓?fù)�、開關(guān)速度、負(fù)載電流和輸出電壓， 所以不可能確定能夠在較寬的電路條件范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳性能 的通用 MOSFET。某些情況下以導(dǎo)通電阻（RDS(on)）損耗為 主，而其它情況下則以瞬態(tài)電流和電壓波形的開關(guān)損耗或與 器件柵極驅(qū)動(dòng)有關(guān)的損耗為主。并且，還證明 (1)(2) 了輸入和 輸出電容也可以是主要損耗。
MOSFET 選型所用的品質(zhì)因數(shù)簡(jiǎn)介
器件制造商還規(guī)定了不同靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的 MOSFET 參 數(shù)，讓設(shè)計(jì)者難于進(jìn)行同類產(chǎn)品對(duì)比，從而讓情況變得更加 混亂。因此，唯一正確的、選擇合適的 MOSFET 的方法是在 MOSFET 應(yīng)用電路內(nèi)比較所選器件。 有幾種方法可以讓設(shè)計(jì)者對(duì)比適于特定應(yīng)用的 MOSFET，雖 然有時(shí)難于實(shí)現(xiàn)。其中一種方法就是根據(jù)品質(zhì)因數(shù)來(lái)評(píng)估 MOSFET。在最簡(jiǎn)單的形式中，品質(zhì)因數(shù)會(huì)在給定的 RDS(on) 下比較柵極電荷 （Qg）。乘積結(jié)果與某項(xiàng)器件技術(shù)有關(guān)，它 能夠?qū)崿F(xiàn)所需的 RDS(on) 或 Qg。然而，RDS(on) 越低，柵極電 荷越高。類似的器件對(duì)比方法為 “Baliga 高頻品質(zhì)因數(shù)” - BHFFOM(1)，它假設(shè)主要開關(guān)損耗與輸入電容 （Ciss）充 / 放 電 有 關(guān)。第 三 種 方 法 是 使 用 “新 高 頻 品 質(zhì) 因 數(shù)” - NHFFOM(2)，它假設(shè)主要開關(guān)損耗因輸出電容 （Coss）充 / 放電而起。后 2 種方法適于要在其中實(shí)現(xiàn) MOSFET 的應(yīng)用。 然而，這些方法只允許進(jìn)行同類產(chǎn)品對(duì)比，用戶無(wú)法利用它 們確定具有某一品質(zhì)因數(shù)的器件是否就一定比具有另一品質(zhì) 因數(shù)的不同器件好。 Vishay Siliconix 系列 30V SO-8 N- 溝道 MOSFET 樣品的品 質(zhì)因數(shù) Qg x RDS(on) 如圖 1 所示。例如，在某些開關(guān)應(yīng)用中， Si4888DY 可能優(yōu)于 Si4842DY，但是不可能利用該圖 - 或者 其它采用了更復(fù)雜的品質(zhì)因數(shù)的圖 - 來(lái)客觀地確定最適于特 定應(yīng)用的器件。 MOSFET 結(jié)構(gòu) 大多數(shù) MOSFET 參數(shù)和溝槽 MOSFET 的寄生參數(shù)的一般定 義如表 1 所示。 任何功率 MOSFET 器件的基礎(chǔ)都源于垂面 DMOS 技術(shù)。電 源產(chǎn)生的電流沿著表面橫向流動(dòng)，然后轉(zhuǎn)向并沿著垂直方向 從相鄰體擴(kuò)散之間的表面流走，穿過外延漏區(qū)、流入基片、再 流出背面的晶圓。沿平面在多晶硅柵層下形成溝道。然而，與 溝槽結(jié)構(gòu)相比，平面結(jié)構(gòu)的單元密度有限，因?yàn)樵诔�高單�?密度下， JFET 夾斷效應(yīng) (1) 會(huì)增加器件導(dǎo)通電阻。 由于這類電氣與幾何限制，不僅無(wú)法保證將平面 DMOS 單元 密度進(jìn)一步提高到 3000 萬(wàn)單元 / 平方英寸以上，而且還極有 可能降低性能。只有消除夾斷效應(yīng)，才能通過減少單元數(shù)量 大幅降低 MOSFET 導(dǎo)通電阻。
為了克服平面夾斷問題， Vishay Siliconix 器件的設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn) 了溝槽柵垂直功率 MOSFET 或 TrenchFET。不是沿表面導(dǎo) 電， TrenchFET 通過沿著蝕入芯片的溝槽側(cè)壁垂直形成的溝 道導(dǎo)電。 溝槽 DMOS 橫截面如圖 2 所示。利用類似于平面 DMOS 的 封閉單元模式，溝槽形成了一個(gè)環(huán)繞硅島的柵極。每個(gè)硅島 都是雙擴(kuò)散溝道區(qū)和發(fā)生相關(guān)源極擴(kuò)散的地方。 溝槽被氧化，然后用導(dǎo)體填充，最后被展平以形成器件柵極。 利用這項(xiàng)溝槽技術(shù)，可以在不產(chǎn)生JFET夾斷效應(yīng)的情況下提 高單元密度，同樣可以實(shí)現(xiàn)高單元密度 （>2 億單元 / 平方英 寸）。提高到該單元密度水平是很有益的，這樣就可以創(chuàng)建一 系列能夠均衡超低導(dǎo)通電阻、柵極特性和成本的器件。然而， 單位晶圓上晶片數(shù)量的增加（會(huì)提高成本優(yōu)勢(shì)）和 RDS(on) 降 低 （會(huì)提升性能）仍然是 2 大優(yōu)勢(shì)。 密度為 1.78 億單元 / 平方英寸的 MOSFET 溝槽晶片的橫截面 如圖 3 所示。這部分穿過了區(qū)內(nèi)的超高密度晶圓，展示了高 密度單元擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)這種單元數(shù)字，重點(diǎn)需要放在橫向 和垂直單元擴(kuò)展上，這樣不僅可以優(yōu)化 RDS(on)，還可以優(yōu)化 柵極特性。 隨著設(shè)計(jì)用于提高單元密度的橫向擴(kuò)展的發(fā)展，相關(guān)電容 （如圖 3b 所示）得到了改善，從而加強(qiáng)了快速開關(guān)，這對(duì)于 高頻操作 （>400kHz）是不可或缺的。此外，在輕電流負(fù)載 下，柵極驅(qū)動(dòng)損耗成了影響總系統(tǒng)效率的重要因素，所以必 須考慮柵極電容。 通過改善垂直擴(kuò)展，降低了電容，進(jìn)而降低了 RDS(on)x Qg 值 （低于 100 （m Ω x nC））。 DMOS溝槽MOSFET的導(dǎo)通電阻是活動(dòng)載流子必須流經(jīng)的各 個(gè)區(qū)域的電阻之和 （如圖 2 所示）。

應(yīng)該注意的是，對(duì)于平面 MOSFET 而言，RRDS(on) 值還包含 JFET 元件電阻。 MOSFET 的寄生電容 N-溝道MOSFET的簡(jiǎn)圖如圖4所示，其中三個(gè)電容，即Cgd、 Cds 和 Cgs，代表寄生電容。這些數(shù)值可以計(jì)算出輸入電容、 輸出電容和反向傳輸電容，如表 1 所述。 然而，應(yīng)該注意的是，由于等效電路不光包含 1 個(gè)電阻和 3 個(gè)電容，而是要復(fù)雜得多，所以這些電容只可用于了解開關(guān) 瞬態(tài)的特性。 柵漏極電容 Cgd 和柵源極電容 Cgs 屬于壓敏電容，因此電容 值隨施加在漏源極和器件的柵源極上的電壓而變。Cgd的變化 比 Cgs 大得多，只不過是因?yàn)槠渖鲜┘拥碾妷罕?Cgs 上的大 得多。Cgd 的變化 (1) 如圖 5 所示，可能高達(dá) 100 倍，通常接 近于 2 個(gè)靜態(tài)值。這些電容變化會(huì)影響施加在器件柵極上的 電壓，從而形成米勒平臺(tái) (1)。這會(huì)在發(fā)生開關(guān)瞬態(tài)時(shí)產(chǎn)生斷 開和接通上升與下降時(shí)間，還會(huì) “拉平”柵極電壓，如圖 6 所示。

結(jié)論 本應(yīng)用指南是一系列介紹在開關(guān)模式電源內(nèi)實(shí)現(xiàn)的功率 MOSFET 的基本特性與工作性能的技術(shù)文檔中的第一部。本 應(yīng)用指南旨在向讀者全面介紹 Vishay Siliconix MOSFETs 所 采用的器件技術(shù)。 FOM 本身不能讓電源設(shè)計(jì)者選出理想器件，但卻概括了器件技術(shù)和可能實(shí)現(xiàn)的性能。要進(jìn)行可靠的主觀分析，則必須修 改每個(gè) FOM，以便包含 MOSFET 應(yīng)用方面的信息。因此， 本應(yīng)用指南定義了為特定應(yīng)用選擇合適的器件時(shí)需要考慮的 主要特性 （表 1）。