MOS管知识详解（二）
MOS管与三极管、IBGT的差别
1MOS管与三极管的差别
三极管全称为半导体三极管，它的主要作用就是将微小的信号中止放大。MOS管与三极管有着许多相近的地方，也有许多不同之处。
首先是开关速度的不同。三极管工作时，两个PN结都会感应出电荷，当开关管处于导通状态时，三极管处于饱和状态，假设这时三极管截至，PN结感应的电荷要恢复到平衡状态，这个过程需求时间。而MOS由于工作方式不同，不需要恢复时间，因此可以用作高速开关管。
其次是控制方式不同。MOS管是电压控制元件，而三级管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用MOS管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用三极管。
接着是载流子种类数量不同。电力电子技术中提及的单极器件是指只靠一种载流子导电的器件，双极器件是指靠两种载流子导电的器件。MOS管只应用了一种多数载流子导电，所以也称为单极型器件；而三极管是既有多数载流子，也应用少数载流子导电；是为双极型器件。
第三是灵活性不同。有些MOS管的源极和漏极可以互换运用，栅压也可正可负，灵活性比三极管好。
第四是集成能力不同。MOS管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多MOS管集成在一块硅片上，因此MOS管在大范围集成电路中得到了普遍的应用。
第五是输入阻抗和噪声能力不同。MOS管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，被普遍应用于各种电子设备中，特别用MOS管做整个电子设备的输入级，可以获得普通三极管很难达到的性能。
最后是功耗损耗不同。同等情况下，采用MOS管时，功耗损耗低；而选用三极管时，功耗损耗要高出许多。
当然，在使用成本上，MOS管要高于三极管，因此根据两种元件的特性，MOS管常用于高频高速电路、大电流场所，以及对基极或漏极控制电流比较敏感的中央区域；而三极管则用于低成本场所，达不到效果时才会考虑替换选用MOS管。
表13 MOS管与三极管主要差异比较一览
2MOS管与IGBT的差别
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和功率晶体管（GTR）的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。常见的IGBT又分为单管和模块两种，单管的外观和MOS管有点相像，常见生产厂家有富士电机、仙童半导体等，模块产品一般为内部封装了数个单个IGBT，由内部联接成适合的电路。
由于IGBT原理为先开通MOS管，再驱动三极管开通，该原理决定了IGBT的开关速度比MOS管慢，但比三极管快。
制造成本上，IGBT要比MOS管高很多，这是因为IGBT的制作多了薄片背面离子注入、薄片低温退火（如激光退火）工序，而这两个工序都需要专门针对薄片工艺的昂贵机台。
在低压下，低压MOS管的导通压降通常都控制在0.5V以下（基本不会超过1V的），比如IR4110低压MOS管，其内阻为4mΩ，给它100A的导通电流，导通压降是0.4V左右。电流导通压降低，意味着导通损耗小，同时兼具开关损耗小的特性，因此，IGBT相对MOS管在电性能没有优势，加上在性价比上MOS管更具优势，所以基本上看不到低压IGBT。
MOS管的最大劣势是随着耐压升高，内阻迅速增大，所以高压下内阻很大，致使MOS管不能做大功率应用。
在高压领域，MOS管的开关速度仍是最快的，但高压下MOS管的导通压降很大（内阻随耐压升高而迅速升高），即便是耐压600V的COOLMOS管，导通电阻可高达几欧姆，致使耐流很小。
而IGBT在高耐压下，导通压降几乎没明显增大（IGBT的导通电流通过三极管处理），所以高压下IGBT优势明显，既有高开关速度，又有三极管的大电流特性；另外，在新一代IGBT产品中，开关速度高（纳秒级），导通压降、开关损耗等也有了长足进步，使得IGBT耐脉冲电流冲击力更强，且耐压高、驱动功率小等优点更加突出。
在需要耐压超过150V的使用条件下，MOS管已经基本没有优势。以典型的IRFS4115与第四代IGBT型SKW30N60对比中，在150V、20A连续工况下运行，前者开关损耗为6mJ/pulse，而后者只有1.15mJ/pulse，不足前者的1/5；若用极限工作条件，二者功率负荷相差将更悬殊！
目前，诸如冶金、钢铁、高速铁路、船舶等有大功率需求的领域已较少见到MOS管，而是广泛应用IGBT元器件。
总的来说，IGBT更适用于高压、大电流、低频率（20KHZ左右）场所，电压越高，IGBT越有优势，在600v以上，IGBT的优势非常明显；而MOSFET更适用于低电压、小电流、低频率（几十KHz~几MHz）领域，电压越低，MOS管越有优势。
MOS管主要参数
场效应管的参数很多，包括极限参数、动态电特性参数和静态电特性参数，其中重要的参数有：饱和漏源电流IDSS、夹断电压Up、开启电压VT（加强型绝缘栅管）、跨导gM、漏源击穿电压BVDS、最大耗散功率PDSM和最大漏源电流IDSM等。
1最大额定参数
最大额定参数，要求所有数值取得条件为Ta=25℃。
图表14 MOS管的绝对最大额定值示例
VDS/VDSS 最大漏源电压
在栅源短接，漏源额定电压VDSS[或写作V(BR)DSS]是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。
VGS/ VGSS 最大栅源电压
VGS[或写作V(BR)GSS]额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压，但是会随制造工艺的不同而改变，因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。
ID 连续漏电流
ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下，管表面温度在25℃或者更高温度下，可允许的最大连续直流电流。该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数：
ID中并不包含开关损耗，并且实际使用时保持管表面温度在25℃（Tcase）也很难。因此，硬开关应用中实际开关电流通常小于ID 额定值@ TC=25℃的一半，通常在1/3～1/4。
注：采用热阻JA可以估算出特定温度下的ID，这个值更有现实意义。
IDM/IDSM 脉冲漏极电流/最大漏源电流
该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，脉冲电流要远高于连续的直流电流。定义IDM的目的在于：线的欧姆区。对于一定的栅-源电压，MOSFET导通后，存在最大的漏极电流，如图表15所示，对于给定的一个栅-源电压，如果工作点位于线性区域内，漏极电流的增大会提高漏-源电压，由此增大导通损耗。长时间工作在大功率之下，将导致器件失效。因此，在典型栅极驱动电压下，需要将额定IDM设定在区域之下，区域的分界点在VGS和曲线相交点。
图表15 MOSFET导通后，存在最大的漏极电流
因此需要设定电流密度上限，防止芯片温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过高电流流经封装引线，因为在某些情况下，整个芯片上最“薄弱的连接”不是芯片，而是封装引线。
考虑到热效应对于IDM的限制，温度的升高依赖于脉冲宽度，脉冲间的时间间隔，散热状况，RDS(on)以及脉冲电流的波形和幅度。单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻的讨论，来估计脉冲电流下结温的情况。
PDSM 最大耗散功率
亦即容许沟道总功耗，标定了器件可以消散的最大功耗，可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。
TJ、TSTG 工作温度和存储环境温度的范围
这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求。如果确保器件工作在这个温度区间内，将极大地延长其工作寿命。
EAS 单脉冲雪崩击穿能量
如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值，其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。
定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS。额定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。
L是电感值，ID为电感上流过的电流峰值，其会突然转换为测量器件的漏极电流。电感上产生的电压超过MOSFET击穿电压后，将导致雪崩击穿。雪崩击穿发生时，即使MOSFET处于关断状态，电感上的电流同样会流过MOSFET器件。电感上所储存的能量与杂散电感上存储，由MOSFET消散的能量类似。
MOSFET并联后，不同器件之间的击穿电压很难完全相同。通常情况是：某个器件率先发生雪崩击穿，随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过。
EAR 重复雪崩能量
重复雪崩能量已经成为“工业标准”，但是在没有设定频率、其它损耗以及冷却量的情况下，该参数没有任何意义。散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量。对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。
额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。该定义的前提条件是：不对频率做任何限制，从而器件不会过热，这对于任何可能发生雪崩击穿的器件都是现实的。在验证器件设计的过程中，最好可以测量处于工作状态的器件或者热沉的温度，来观察MOSFET器件是否存在过热情况，特别是对于可能发生雪崩击穿的器件。
IAR 雪崩击穿电流
对于某些器件，雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。这样，雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”；其揭示了器件真正的能力。
图表16 雪崩破坏耐量测定电路和波形
SOA 安全工作区
每种MOS管都会给出其安全工作区域，功率MOS管不会表现出二次击穿，因此安全运行区域只简单从导致结温达到最大允许值时的耗散功率定义。
2静态电特性
图表17 静态电特性及参数一览表
V(BR)DSS/VBDSS 漏源击穿电压(破坏电压)
或叫BVDS，是指在特定的温度和栅源短接情况下，流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。
V(BR)DSS是正温度系数，其漏源电压的最大额定值随着温度的下降而降低，在-50℃时，V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%。
BVGS 栅源击穿电压
在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开端剧增时的VGS。
VGS(th)阈值电压
也用VT表示，是指加的栅源电压能使漏极开始有电流，或关断MOSFET时电流消失时的电压，测试的条件（漏极电流、漏源电压、结温）也是有规格的。正常情况下，所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同。因此，VGS(th)的变化范围是规定好的。VGS(th)是负温度系数，当温度上升时，MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。
VGS(off) 夹断电压
也用Up表示，是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。
RDS(on) 导通电阻
是指在特定的漏电流（通常为ID电流的一半）、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。
RGS 栅源电阻
即在栅、源极之间加的电压与栅极电流之比，这一特性有时以流过栅极的栅流表示MOS管的RGS能够很容易地超越1010Ω。
IDSS 零栅压漏极电流
也称为饱和漏源电流，是指在当栅源电压VGS＝0时，在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。既然泄漏电流随着温度的增加而增大，IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算，通常这部分功耗可以忽略不计。
IGSS 栅源漏电流
是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。
3动态电特性
图表18 动态电特性及参数一览表
Ciss 输入电容
将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成，或者Ciss=Cgs+Cgd。当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启，放电致一定值时器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。
Coss 输出电容
将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成，或者Coss=Cds+Cgd，对于软开关的应用，Coss非常重要，因为它可能引起电路的谐振
Crss 反向传输电容
在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres=Cgd，反向传输电容也常叫做米勒电容，对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数，他还影响这关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小，尤其是输出电容和反向传输电容。
Eoss 输出电容存储能量
表示输出电容Coss在MOS管存储的能量大小。由于MOS管的输出电容Coss有非常明显的非线性特性，随VDS电压的变化而变化。所以如果Datasheet提供了这个参数，对于评估MOS管的开关损耗很有帮助。并非所有的MOS管手册中都会提供这个参数，事实上大部分Datasheet并不提供。
di/dt 电流上升率
该参数反应了MOSFET体二极管的反向恢复特性。因为二极管是双极型器件，受到电荷存储的影响，当二极管反向偏置时，PN结储存的电荷必须清除，上述参数正反映了这一特性。
图表19 寄生电容结构和电路示意图
Qgs、Qgd和Qg（栅极电荷值）
Qg栅极电荷值，也叫栅极总充电电量，反应存储在端子间电容上的电荷，既然开关的瞬间，电容上的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。
Qgs为从0电荷开始到第一个拐点处，Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分（也叫做“米勒”电荷），Qg是从0点到VGS等于一个特定的驱动电压的部分。
图表20 Qgs、Qgd和Qg参数含义示意图
漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小，而且栅电荷不随温度的变化。测试条件是规定好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中，包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在上图中，平台电压VGS(pl)随着电流的增大增加的比较小（随着电流的降低也会降低）。平台电压也正比于阈值电压，所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。详解见下图：
图表21 Qgs、Qgd和Qg参数含义分解
td(on) 导通延时时间
是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的90%时所经历的时间。
td(off) 关断延时时间
是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的10%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。
Tr 上升时间
上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。
Tf 下降时间
下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。
NF 低频噪声系数
单位为分贝（dB），噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的，由于它的存在，可使放大器即便在没有信号输人时，输出端也会出现不规则的电压或电流变化。噪声系数NF数值越小，代表管子所产生的噪声越小，场效应管的噪声系数约为几个分贝，比双极性三极管的要小。
gM 跨导
是表示栅源电压VGS对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压VGS变化量的比值，是权衡场效应管放大才能的重要参数。
4其他重要参数
除以上介绍的参数之外，MOS管还有很多重要的参数，明细如下。
表22 MOS管其他重要参数列表
