來源：從零學(xué)電源

一、場效應(yīng)管的介紹

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 全稱：金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），簡稱MOS管，屬于場效應(yīng)管（FET）的一種。

場效應(yīng)管利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。其中最常用的是增強(qiáng)型NMOS。

為什么是NMOS？——NMOS具有更快的速度，更小的面積，更簡單的工藝。因?yàn)镹MOS的載流子是電子，PMOS的載流子是空穴，電子的遷移率是空穴的2-3倍，在相同電場作用下，電子跑得比空穴快。相同尺寸大小的NMOS和PMOS相比，NMOS導(dǎo)通電流可以做到更大。

為什么是增強(qiáng)型？——增強(qiáng)型在不加?xùn)旁措妷簳r沒有溝道，器件默認(rèn)是關(guān)閉的。耗盡型在沒有柵源電壓時就存在溝道，器件默認(rèn)是導(dǎo)通的，需要加負(fù)壓才能關(guān)閉。由于耗盡型默認(rèn)開啟，不符合數(shù)字邏輯思維，不符合低功耗設(shè)計，且制造工藝復(fù)雜，故耗盡型很少見。

為什么是MOS？——MOSFET符合現(xiàn)代數(shù)字芯片CMOS工藝，JFET與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容，不易高密度集成，且JFET通常為耗盡型，不符合低功耗理念。JFET只適用于對噪聲、可靠性要求高的特殊模擬應(yīng)用。

二、MOSFET的原理

以增強(qiáng)型NMOS管為例，柵極與襯底之間存在很薄的絕緣層(SiO2)，將柵極金屬和P型襯底隔開。

為什么源極和襯底短接在一起？襯底與源極短接，電位相同，可以讓該P(yáng)N結(jié)處于零偏置狀態(tài)，防止其正向?qū)ㄓ绊慚OS管工作，同時也能避免襯底偏置效應(yīng)影響Vth閾值電壓。

在襯底P型半導(dǎo)體里，由于存在少量的自由電子，故當(dāng)Vgs存在電壓時，襯底中的少量電子受電場作用向柵極靠近并聚集，形成N型溝道，連通源極和漏極。在源漏極加上電壓時，電子就可以通過溝道從源極流向漏極，形成漏極電流Id。

其中絕緣層越薄，電場作用越明顯，形成導(dǎo)通溝道的閾值電壓越小。但是電路設(shè)計者（DE）無法改變閾值電壓（Vth），閾值電壓由工藝決定，設(shè)計者只能基于晶圓廠提供的PDK進(jìn)行設(shè)計，PDK中的器件模型參數(shù)是固定的。

如何從符號上區(qū)分增強(qiáng)型和耗盡型？由于增強(qiáng)型MOS的溝道在Vgs=0時還未形成，所以符號上溝道是斷開的，而耗盡型MOS的溝道在沒有Vgs時已經(jīng)形成，所以在符號上溝道是連續(xù)的。

如何從符號上區(qū)分PMOS、NMOS？由于PMOS和NMOS的溝道類型不同，溝道處的箭頭方向都是從P指向N，所以可以通過觀察箭頭方向來確定溝道類型。箭頭指向外，則溝道為P型；箭頭指向溝道處，則溝道為N型。

如何確定體二極管方向？以NMOS為例，由于源極S與襯底相連，且襯底（P型）與漏極（N型）可以看作一個二極管，又被稱為體二極管（body diode），故存在源極-漏極之間的二極管，二極管導(dǎo)通方向由源極指向漏極，從符號上看二極管方向與溝道處的箭頭方向相同。

如何區(qū)分源極、漏極、柵極？MOS管腳中柵極（Gate）與其他極絕緣，而源極（Source）與襯底（Substrate）相連，故連接到符號中間襯底溝道的都是源極，不連接的是漏極。

三、MOSFET的特性

以NPN三極管BJT為例，對比介紹增強(qiáng)型NMOS的特性

3.1 輸入特性曲線

三極管BJT的輸入特性曲線是VBE與IB之間的關(guān)系曲線，類似于二極管的正向特性曲線。

MOS管的輸入特性曲線是VGS與IG之間的關(guān)系曲線，由于G極下方具有絕緣層，柵極與溝道之間構(gòu)成一個電容，直流狀態(tài)下IG只有微小的漏電流。

由于MOS管的柵極絕緣，輸入阻抗極高，不吸取電流，故通常不討論MOS管的輸入特性曲線。

3.2 輸出特性曲線

三極管以共發(fā)射極配置，輸出特性曲線是VCE與IC之間的關(guān)系曲線，參變量以基極電流IB作為不同的曲線參數(shù)。

MOS管的輸出特性曲線是VDS與ID之間的關(guān)系曲線，參變量以柵源電壓VGS作為不同的曲線參數(shù)。

MOS管的恒流區(qū)/飽和區(qū)，相當(dāng)于三極管的放大區(qū)：

3.3 轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線反映的是輸入量對輸出量的控制能力，三極管的轉(zhuǎn)移特性曲線是IB與IC之間的關(guān)系曲線，MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線是VGS與ID之間的關(guān)系曲線。

BJT是電流控型器件，IB控制IC，IC與IB呈線性關(guān)系；MOS管是壓控型器件，VGS控制ID，是平方律的關(guān)系。

四、MOSFET的參數(shù)

針對電源應(yīng)用，需要考慮的MOS管重要參數(shù)包含以下:

4.1 額定漏源電壓VDS、額定柵源電壓VGS

額定漏源電壓VDS：柵極G和源極S短路，在漏極D和源極S所能施加的最大電壓值，表明了MOS管在關(guān)斷狀態(tài)下，漏源極之間能承受的最大電壓，可理解為源漏擊穿電壓，具有正溫度系數(shù)，高溫下，MOS管能承受的瞬時電壓反而比室溫下更高，而低溫下實(shí)際擊穿電壓會低于標(biāo)稱值，選型時仍需要留有充分裕量，避免尖峰電壓和瞬態(tài)沖擊損壞MOS。

額定柵源電壓VGS：漏極D和源極S短路，在漏極G和源極S所能施加的最大電壓值。如果超過該額定電壓，可能導(dǎo)致柵氧化層損傷。

4.2 柵源閾值電壓VGS(th)

閾值電壓VGS(th)：在MOS的柵源之間加的可以形成導(dǎo)通溝道的最小電壓。VGS達(dá)到閾值電壓后，MOS從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，高溫下避免噪聲超過閾值電壓發(fā)生誤動作。一般來說，高閾值電壓的MOS具有較小的柵源漏電流，但是其開關(guān)速度較慢，動態(tài)功耗較大。

4.3 漏源導(dǎo)通電阻RDS(on)

漏源導(dǎo)通電阻RDS(on)：MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，源漏之間的等效電阻，具有正溫度特性。

尤其在大電流應(yīng)用中，較低的導(dǎo)通電阻可以降低MOS的導(dǎo)通損耗，減少M(fèi)OS發(fā)熱，提升電源的轉(zhuǎn)化效率。通常RDS(on)與器件尺寸、成本成反比。高壓器件RDS(on)一般高于低壓器件。設(shè)計中需要綜合考慮成本、體積和效率。

4.4 持續(xù)漏電流ID，零柵壓漏極電流IDSS，柵源漏電流IGSS

持續(xù)漏電流ID表明MOS管支持工作的最大直流電流，受溫度、導(dǎo)通阻抗、封裝等影響。

零柵壓漏極電流IDSS表明MOS管在柵源短路狀態(tài)下（VGS=0），漏極與源極之間加額定電壓下的泄漏電流。該值具有正溫度系數(shù)。

柵源漏電流IGSS表明MOS管在源漏短路狀態(tài)下（VDS=0）,柵極與源極之間加額定電壓下的泄露電流。

4.5 輸入電容Ciss、輸出電容Coss、反向傳輸電容Crss

輸入電容（Ciss）表明漏源短接下，交流信號測得的柵極和源極之間的電容，其代表著驅(qū)動MOS管時柵極驅(qū)動電路需要充電的總電容，直接影響MOS管的柵極電荷Qg和驅(qū)動電流。Ciss越大，開關(guān)MOS所需要的能量和時間就越大。

Ciss=Cgs+Cgd

輸出電容（Coss）表明柵源短接下，交流信號測得的漏極與源極之間的電容，其代表著MOS管在關(guān)斷時，漏極和源極之間存在的總電容。

Coss=Cds+Cgd

在硬開關(guān)電路中，MOS管由導(dǎo)通到關(guān)斷時，其VDS會從0上升到母線電壓，這個電壓會對Coss充電，消耗的能量稱為關(guān)斷損耗。

在軟開關(guān)電路中，例如LLC，輸出電容Coss是諧振電容的一部分，其大小直接影響諧振頻率。

對于橋式電路，若Coss過大，由于另一管開關(guān)引起的快速電壓變化（dV/dt）通過Coss充放電電流，誤觸發(fā)關(guān)斷的MOS管使其導(dǎo)通。

反向傳輸電容（Crss）表明源極接地，測漏極和柵極之間的電容。由于其會引發(fā)米勒效應(yīng)，故也稱作米勒電容。米勒效應(yīng)會阻止Vgs上升，從而也就阻止了Vds的下降。米勒電容會顯著延長開關(guān)過程的平臺階段，其是造成開關(guān)損耗（尤其是開通損耗：ID×VDS）的主要原因，影響開關(guān)上升、下降時間和關(guān)斷延時時間。

Crss=Cgd

輸入電容(Ciss)、輸出電容(Coss)、反向傳輸電容(Crss)共同決定了MOS管的交流特性，影響MOS管的開關(guān)速度、損耗、電路穩(wěn)定性。

4.6 導(dǎo)通、關(guān)斷延時時間Td(on)/Td(off)、上升、下降時間TrTf

Td（on）導(dǎo)通延時時間：從柵極驅(qū)動電壓VGS上升到其幅值的10%開始，到漏極電流上升到其幅值的90%的時間間隔。

Td（off）關(guān)斷延時時間：從柵極驅(qū)動電壓 VGS下降到其幅值的90%開始，到漏極電流下降到其幅值的90%的時間間隔。

tr上升時間：漏極電流從其幅值的10%上升到90%所需的時間。

tf下降時間：漏極電流從其幅值的90%下降到10%所需的時間。

如何優(yōu)化縮短這些時間呢？

選擇本身開關(guān)速度快（Qg低柵極電壓和低寄生電容）的MOSFET

提高柵極驅(qū)動能力（增加驅(qū)動電壓、減小驅(qū)動電阻）

使用專用的柵極驅(qū)動IC，可提供瞬間的峰值電流

4.7 安全動作區(qū)SOA

MOS管的SOA（Safe Operating Area）結(jié)合了MOS的多種物理限制，只要MOS的工作點(diǎn)落在這個區(qū)域，器件就不會因過應(yīng)力而損壞，超過SOA邊界可能導(dǎo)致MOS永久性失效。