MOS管工作原理

MOS管定義

MOS管學(xué)名是場效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于絕緣柵型。

其結(jié)構(gòu)示意圖：

結(jié)構(gòu)示意圖解析

1）溝道

上面圖中，下邊的p型中間一個窄長條就是溝道，使得左右兩塊P型極連在一起，因此mos管導(dǎo)通后是電阻特性，因此它的一個重要參數(shù)就是導(dǎo)通電阻，選用mos管必須清楚這個參數(shù)是否符合需求。

2）n型

上圖表示的是p型mos管，讀者可以依據(jù)此圖理解n型的，都是反過來即可。因此，不難理解，n型的如圖在柵極加正壓會導(dǎo)致導(dǎo)通，而p型的相反。

3）增強(qiáng)型

相對于耗盡型，增強(qiáng)型是通過“加厚”導(dǎo)電溝道的厚度來導(dǎo)通，如圖。柵極電壓越低，則p型源、漏極的正離子就越靠近中間，n襯底的負(fù)離子就越遠(yuǎn)離柵極，柵極電壓達(dá)到一個值，叫閥值或坎壓時(shí)，由p型游離出來的正離子連在一起，形成通道，就是圖示效果。因此，容易理解，柵極電壓必須低到一定程度才能導(dǎo)通，電壓越低，通道越厚，導(dǎo)通電阻越小。由于電場的強(qiáng)度與距離平方成正比，因此，電場強(qiáng)到一定程度之后，電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了，也是因?yàn)閚型負(fù)離子的“退讓”是越來越難的。耗盡型的是事先做出一個導(dǎo)通層，用柵極來加厚或者減薄來控制源漏的導(dǎo)通。但這種管子一般不生產(chǎn)，在市面基本見不到。所以，大家平時(shí)說mos管，就默認(rèn)是增強(qiáng)型的。

4）左右對稱

圖示左右是對稱的，難免會有人問怎么區(qū)分源極和漏極呢？其實(shí)原理上，源極和漏極確實(shí)是對稱的，是不區(qū)分的。但在實(shí)際應(yīng)用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個二極管，起保護(hù)作用，正是這個二極管決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便于實(shí)用。我的老師年輕時(shí)用過不帶二極管的mos管。非常容易被靜電擊穿，平時(shí)要放在鐵質(zhì)罐子里，它的源極和漏極就是隨便接。

5）金屬氧化物膜

圖中有指示，這個膜是絕緣的，用來電氣隔離，使得柵極只能形成電場，不能通過直流電，因此是用電壓控制的。在直流電氣上，柵極和源漏極是斷路。不難理解，這個膜越?。弘妶鲎饔迷胶谩⒖矇涸叫?、相同柵極電壓時(shí)導(dǎo)通能力越強(qiáng)。壞處是：越容易擊穿、工藝制作難度越大而價(jià)格越貴。例如導(dǎo)通電阻在歐姆級的，1角人民幣左右買一個，而2402等在十毫歐級的，要2元多（批量買。零售是4元左右）。

6）與實(shí)物的區(qū)別

上圖僅僅是原理性的，實(shí)際的元件增加了源-漏之間跨接的保護(hù)二極管，從而區(qū)分了源極和漏極。實(shí)際的元件，p型的，襯底是接正電源的，使得柵極預(yù)先成為相對負(fù)電壓，因此p型的管子，柵極不用加負(fù)電壓了，接地就能保證導(dǎo)通。相當(dāng)于預(yù)先形成了不能導(dǎo)通的溝道，嚴(yán)格講應(yīng)該是耗盡型了。好處是明顯的，應(yīng)用時(shí)拋開了負(fù)電壓。

7）寄生電容

上圖的柵極通過金屬氧化物與襯底形成一個電容，越是高品質(zhì)的mos，膜越薄，寄生電容越大，經(jīng)常mos管的寄生電容達(dá)到nF級。這個參數(shù)是mos管選擇時(shí)至關(guān)重要的參數(shù)之一，必須考慮清楚。Mos管用于控制大電流通斷，經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率，在這種用途中，柵極信號具有交流特征，頻率越高，交流成分越大，寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流，形成柵極電流。消耗的電能、產(chǎn)生的熱量不可忽視，甚至成為主要問題。為了追求高速，需要強(qiáng)大的柵極驅(qū)動，也是這個道理。試想，弱驅(qū)動信號瞬間變?yōu)楦唠娖?，但是為了“灌滿”寄生電容需要時(shí)間，就會產(chǎn)生上升沿變緩，對開關(guān)頻率形成重大威脅直至不能工作。

8）如何工作在放大區(qū)

Mos管也能工作在放大區(qū)，而且很常見。做鏡像電流源、運(yùn)放、反饋控制等，都是利用mos管工作在放大區(qū)，由于mos管的特性，當(dāng)溝道處于似通非通時(shí)，柵極電壓直接影響溝道的導(dǎo)電能力，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。由于柵極與源漏隔離，因此其輸入阻抗可視為無窮大，當(dāng)然，隨頻率增加阻抗就越來越小，一定頻率時(shí)，就變得不可忽視。這個高阻抗特點(diǎn)被廣泛用于運(yùn)放，運(yùn)放分析的虛連、虛斷兩個重要原則就是基于這個特點(diǎn)。這是三極管不可比擬的。

9）mos管發(fā)熱原因

Mos管發(fā)熱，主要原因之一是寄生電容在頻繁開啟關(guān)閉時(shí)，顯現(xiàn)交流特性而具有阻抗，形成電流。有電流就有發(fā)熱，并非電場型的就沒有電流。另一個原因是當(dāng)柵極電壓爬升緩慢時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)要“路過”一個由關(guān)閉到導(dǎo)通的臨界點(diǎn)，這時(shí)，導(dǎo)通電阻很大，發(fā)熱比較厲害。第三個原因是導(dǎo)通后，溝道有電阻，過主電流，形成發(fā)熱。主要考慮的發(fā)熱是第1和第3點(diǎn)。許多mos管具有結(jié)溫過高保護(hù)，所謂結(jié)溫就是金屬氧化膜下面的溝道區(qū)域溫度，一般是150攝氏度。超過此溫度，mos管不可能導(dǎo)通。溫度下降就恢復(fù)。要注意這種保護(hù)狀態(tài)的后果。

mos管選型四要領(lǐng)

1）用N溝道orP溝道

選擇好MOS管器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOS管。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個MOS管接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOS管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOS管，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOS管連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓?fù)渲胁捎肞溝道MOS管，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。

2）確定MOS管的額定電流

該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，確保所選的MOS管能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOS管處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。

3）選擇MOS管的下一步是系統(tǒng)的散熱要求

須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。

4）選擇MOS管的最后一步是決定MOS管的開關(guān)性能

影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對它們充電。MOS管的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計(jì)算開關(guān)過程中器件的總損耗，要計(jì)算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。

了解了MOS管的選取法則，那么工程師們選擇的時(shí)候就可以通過這些法則去選取所要的MOS管了，從而讓整個電路工作能順利進(jìn)行下去。不會因?yàn)镸OS管的不合適而影響后面的各項(xiàng)工作和事宜。

失效6因果

MOS失效原因：

1）雪崩失效(電壓失效)，也就是我們常說的漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓，并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。

2）SOA失效(電流失效)，既超出MOSFET安全工作區(qū)引起失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大，損耗過高器件長時(shí)間熱積累而導(dǎo)致的失效。

3）體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。

4）諧振失效：在并聯(lián)使用的過程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。

5）靜電失效：在秋冬季節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。

6）柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效。具體分析如下：

1）雪崩失效分析(電壓失效)

到底什么是雪崩失效呢，簡單來說MOSFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在MOSFET漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見的失效模式。

下面的圖片為雪崩測試的等效原理圖，做為電源工程師可以簡單了解下。

可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對我們電源板上的MOSFET進(jìn)行失效分析，大多數(shù)廠家都僅僅給一個EAS.EOS之類的結(jié)論，那么到底我們怎么區(qū)分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過雪崩測試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對比從而確定是否是雪崩失效。

雪崩失效的預(yù)防措施

雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效，因此預(yù)防我們著重從電壓來考慮。具體可以參考以下的方式來處理。

1：合理降額使用，目前行業(yè)內(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行選取。

2：合理的變壓器反射電壓。

3：合理的RCD及TVS吸收電路設(shè)計(jì)。

4：大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu)，盡量減少布線寄生電感。

5：選擇合理的柵極電阻Rg。

6：在大功率電源中，可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

2）SOA失效(電流失效)

再簡單說下第二點(diǎn)，SOA失效

SOA失效是指電源在運(yùn)行時(shí)異常的大電流和電壓同時(shí)疊加在MOSFET上面，造成瞬時(shí)局部發(fā)熱而導(dǎo)致的破壞模式?；蛘呤切酒c散熱器及封裝不能及時(shí)達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。

關(guān)于SOA各個線的參數(shù)限定值可以參考下面圖片。

1：受限于最大額定電流及脈沖電流

2：受限于最大節(jié)溫下的RDSON。

3：受限于器件最大的耗散功率。

4：受限于最大單個脈沖電流。

5：擊穿電壓BVDSS限制區(qū)

我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)，就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導(dǎo)致的電源失效問題的產(chǎn)生。

這個是一個非典型的SOA導(dǎo)致失效的一個解刨圖，由于去過鋁，可能看起來不那么直接，參考下。

SOA失效的預(yù)防措施

1：確保在最差條件下，MOSFET的所有功率限制條件均在SOA限制線以內(nèi)。

2：將OCP功能一定要做精確細(xì)致。

在進(jìn)行OCP點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一般可能會取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。

有些有經(jīng)驗(yàn)的人會將檢測延遲時(shí)間、CISS對OCP實(shí)際的影響考慮在內(nèi)。

但是此時(shí)有個更值得關(guān)注的參數(shù)，那就是MOSFET的Td(off)。

它到底有什么影響呢，我們看下面FLYBACK電流波形圖(圖形不是太清楚，十分抱歉，建議雙擊放大觀看)

從圖中可以看出，電流波形在快到電流尖峰時(shí)，有個下跌，這個下跌點(diǎn)后又有一段的上升時(shí)間，這段時(shí)間其本質(zhì)就是IC在檢測到過流信號執(zhí)行關(guān)斷后，MOSFET本身也開始執(zhí)行關(guān)斷，但是由于器件本身的關(guān)斷延遲，因此電流會有個二次上升平臺，如果二次上升平臺過大，那么在變壓器余量設(shè)計(jì)不足時(shí)，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個失效。

3：合理的熱設(shè)計(jì)余量，這個就不多說了，各個企業(yè)都有自己的降額規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行就可以了，不行就加散熱器。

3）體二極管失效

在不同的拓?fù)?、電路中，MOSFET有不同的角色，比如在LLC中，體內(nèi)二極管的速度也是MOSFET可靠性的重要因素。漏源間的體二極管失效和漏源電壓失效很難區(qū)分，因?yàn)槎O管本身屬于寄生參數(shù)。雖然失效后難以區(qū)分軀體緣由，但是預(yù)防電壓及二極管失效的解決辦法存在較大差異，主要結(jié)合自己電路來分析。

體二極管失效預(yù)防措施

其實(shí)有那個體二極管，在大部分時(shí)候都不礙事，而且有時(shí)候還有好處，比如用在H橋上，省得并二極管了。當(dāng)然也有礙事的時(shí)候，那就用兩個MOS管頭頂頭或者尾對尾串聯(lián)起來就可以了。

那個二極管是工藝決定的，也不必太在意，接受它的存在就好了。還有，多說兩句，其實(shí)MOS管的D和S本質(zhì)上是對稱的結(jié)構(gòu)，只是溝道的兩個接點(diǎn)。但是由于溝道的開啟和關(guān)閉涉及到柵極和襯底之間的電場，那么就需要給襯底一個確定的電位。又因?yàn)镸OS管只有3個管腳，所以需要把襯底接到另外兩個管腳之一。那么接了襯底的管腳就是S了，沒接襯底的管腳就是D，我們應(yīng)用時(shí)，S的電位往往是穩(wěn)定的。在集成電路中，比如CMOS中或者還有模擬開關(guān)中，由于芯片本身有電源管腳，所以那些MOS管的襯底并不和管腳接在一起，而是直接接到電源的VCC或者VEE，這時(shí)候D和S就沒有任何區(qū)別了。

4）諧振失效

在并聯(lián)功率MOS FET時(shí)未插入柵極電阻而直接連接時(shí)發(fā)生的柵極寄生振蕩。高速反復(fù)接通、斷開漏極-源極電壓時(shí)，在由柵極-漏極電容Cgd(Crss)和柵極引腳電感Lg形成的諧振電路上發(fā)生此寄生振蕩。當(dāng)諧振條件(ωL=1/ωC)成立時(shí)，在柵極-源極間外加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動電壓Vgs(in)的振動電壓，由于超出柵極-源極間額定電壓導(dǎo)致柵極破壞，或者接通、斷開漏極-源極間電壓時(shí)的振動電壓通過柵極-漏極電容Cgd和Vgs波形重疊導(dǎo)致正向反饋，因此可能會由于誤動作引起振蕩破壞。

諧振失效預(yù)防措施

電阻可以抑制振蕩, 是因?yàn)樽枘岬淖饔?。但柵極串接一個小電阻, 并非解決振蕩阻尼問題. 主要還是驅(qū)動電路阻抗匹配的原因, 和調(diào)節(jié)功率管開關(guān)時(shí)間的原因。

5）靜電失效

靜電的基本物理特征為：有吸引或排斥的力量；有電場存在，與大地有電位差；會產(chǎn)生放電電流。這三種情形會對電子元件造成以下影響：

1.元件吸附灰塵，改變線路間的阻抗，影響元件的功能和壽命。

2.因電場或電流破壞元件絕緣層和導(dǎo)體，使元件不能工作（完全破壞）。

3.因瞬間的電場軟擊穿或電流產(chǎn)生過熱，使元件受傷，雖然仍能工作，但是壽命受損。

靜電失效的預(yù)防措施

MOS電路輸入端的保護(hù)二極管，其導(dǎo)通時(shí)電流容限一般為1mA 在可能出現(xiàn)過大瞬態(tài)輸入電流（超過10mA）時(shí)，應(yīng)串接輸入保護(hù)電阻。而129#在初期設(shè)計(jì)時(shí)沒有加入保護(hù)電阻，所以這也是MOS管可能擊穿的原因，而通過更換一個內(nèi)部有保護(hù)電阻的MOS管應(yīng)可防止此種失效的發(fā)生。還有由于保護(hù)電路吸收的瞬間能量有限，太大的瞬間信號和過高的靜電電壓將使保護(hù)電路失去作用。所以焊接時(shí)電烙鐵必須可靠接地，以防漏電擊穿器件輸入端，一般使用時(shí)，可斷電后利用電烙鐵的余熱進(jìn)行焊接，并先焊其接地管腳。6）柵極電壓失效

柵極的異常高壓來源主要有以下3種原因：

1：在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配過程中的靜電。

2：由器件及電路寄生參數(shù)在電源系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的高壓諧振。

3：在高壓沖擊時(shí)，高電壓通過Ggd傳輸?shù)綎艠O（在雷擊測試時(shí)，這種原因?qū)е碌氖л^為常見）。

至于PCB污染等級、電氣間隙及其它高壓擊穿IC后進(jìn)入柵極等現(xiàn)象就不做過多解釋。

柵極電壓失效的預(yù)防措施

柵源間的過電壓保護(hù)：如果柵源間的阻抗過高，則漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的UGS電壓過沖，這一電壓會引起柵極氧化層永久性損壞，如果是正方向的UGS瞬態(tài)電壓還會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或并接穩(wěn)壓值約20V的穩(wěn)壓管。特別要注意防止柵極開路工作。其次是漏極間的過電壓防護(hù)。如果電路中有電感性負(fù)載，則當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，漏極電流的突變(di/dt)會產(chǎn)生比電源電壓高的多的漏極電壓過沖，導(dǎo)致器件損壞。應(yīng)采取穩(wěn)壓管箝位，RC箝位或RC抑制電路等保護(hù)措施。

補(bǔ)充下,MOSFET損壞主要有使用/品質(zhì)工藝兩方面原因.  使用方面:

1)靜電損壞,初期可能還象好管子一樣開關(guān),經(jīng)過一段時(shí)間后會失效炸機(jī),GDS全短路.

2)空間等離子損傷,輕者和靜電損壞一樣,重者直接GDS短路.大家要注意啊!放MOSFET或IGBT/COMS器件的地方千萬別用負(fù)離子發(fā)生器或有此功能的空調(diào)!

3)漏電損傷,多數(shù)情況下GDS全短路,個別會DS或GD斷路.

4)過驅(qū)動,驅(qū)動電壓超過18V后,經(jīng)過一段時(shí)間使用會GDS全短.

5)使用負(fù)壓關(guān)閉,柵加負(fù)壓后,MOSFET抗噪能力加強(qiáng),但DS耐壓能力下降,不適當(dāng)?shù)呢?fù)壓,會導(dǎo)致DS耐壓不夠而被擊穿損壞而GDS短路.

6)柵寄生感應(yīng)負(fù)壓損壞,和不適當(dāng)?shù)呢?fù)壓驅(qū)動一樣,只是該負(fù)壓不是人為加上的,是由于線路寄生LC感應(yīng),在刪上感應(yīng)生成負(fù)脈沖.

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