MOS管静态参数指标包含:漏-源击穿电压V(BR)DSS、开启电压VTH、漏-源饱和漏电流IDSS、栅-源驱动电流或反向电流IGSS、导通电阻RDS(on)、栅源击穿电压VGS。
漏源击穿电压V(BR)DSS漏源击穿电压是指栅源电压为VGS为0时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS,且具有正温度特性,应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑,是极限参数。开启电压VGS(TH)当外加栅极控制电压VGS超过VGS(TH)时,漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道,应用中常将漏极短接条件下ID等于1mA时的栅极电压称为开启电压,会随温度上升而降低。导通电阻RDS(on) MOS管导通时,其漏极与源极之间所有的电阻总和。主要构成部分如下图所示:
图1:导通电阻RDSON等效电路
- RDSON详细构成
RN+:源极N+扩散区中的电阻,占很小,高压中可忽略;RCH:沟道区域,随沟道宽度长度之比、栅极氧化层厚度和栅极电压的变化而不同,低压MOS中占比最大。 RA:VGS建立时电荷开始聚集在N-的外延层,并在沟道和JFET区间形成-电流。在此聚集区域的电阻即为RA。电阻值随着聚集区电荷量和表面自由载流子的迁移率的变化而不同。并且如果栅极电极减小的话,就相当于减小了聚集区的长度,故RA会随着RJ的增大而减小。RJ:在P型区间的N-外延层当中的电阻;RD:在P区与衬底间的电阻,高压MOS中的占比最大;RS:衬底区的电阻,高压可忽略,50V的MOS管中有相当大的影响。另外,RDSON会随着漏极-源极的金属材质、N+半导体区域、器件封装的不同而有着非理想的变化。
- RDSON的温度特性
图2:RDSON负温度特性曲线
25℃和175℃两条传输特性曲线有一个交点,此交点的VG称为转折电压(又称零温度系数点,约VGS=5.5V),转折电压略为大于VTH电压,在转折电压的左下部分曲线VGS电压一定时,温度越高,所流过的电流越大,也就是RDSON越小,这个区域为负温度系数区域。负温度特性存在于开关转换的瞬态过程中,功率MOS管的内部由许多小的MOS晶胞并联组成。所有单元的G极和S极由内部金属导体连接汇集在晶元的某一位置,然后由导线引出的管脚。这样离汇集点越远的单元,G极的等效串联电阻就越大,离栅极管脚距离近的晶胞单元VGS大,流过的电流大,温度高,RDSON变小,电流更大,形成正反馈。若此区域停留时间过长,局部晶胞可能会出现过热击穿的情况,容易出现局部热点损坏。
图3:RDSON正温度特性曲线
在转折电压的右上部分曲线,VGS电压一定时,温度越高,所流过的电流越小,也就是RDSON越大,此时流过的电流就越小,这个区域为正温度系数区域,功率MOS管内的晶胞单元会自动均流。【重要知识点】正温度系数的RDSON,使得能够抑制局部温升,消除器件的局部热点,使器件温度趋于均匀,从而使MOS管的安全工作区SQA远大于三极管的安全工作区,也是MOS管可以用于并联使用的主要原因之一。没有三极管的二次击穿现象(元胞自动均流的结果),导致高温下功耗加大,同时使散热设计变得复杂。
- 饱和漏源电流(IDSS)
在漏-源间加上V(BR)DSS和在125℃环境温度时80% V(BR)DSS,G-S极短接下测得;正温度系数,且其对温度的敏感性比V(BR)DSS要大得多,测量方法如下图所示:
图4:MOS管漏-源漏电流IDSS测量方法
- 栅-源驱动电流(IGSS)
在栅极与源极之间加上最大VGS耐压时的电流,有正反向;由栅极氧化物的质量和器件尺寸所决定,测量方法如下图所示:
图5:MOS管栅-源驱动电流IGSS测量方法
- 栅-源击穿电压(VGS)
在栅极与源极之间最大工作的正向偏置电压和负压;主要受栅极氧化层的厚度所决定;VGS有±20V和±30V两种;VGS是极限,超过这个电压值,即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产生永久性损害,ESD是造成栅极失效的主要原因,须尽量避免。