POWER-MOSFET-参数特性简介

POWERMOSFET參數特性簡介FORDATASHEET簡介-MOSFETMOSFETINTRODUCTIONDCPARAMETERACPARAMETERPOWERRELATEDDATASHEETEXAMPLEMOSFETINTRODUCTIONPOWERMOSFET又稱DMOS(doublediffusedmos)在發展之前，唯一較高速、適中功率元件只有雙載子功率電晶體(POWERBJT)，此元件為達至一大電流的應用，因此與傳統MOS不同的是其電流流向為垂直方向流動。雖然BJT可達到相當高的電流和耐壓額定，但它相對較高的基極驅動電流卻使周邊的線路設計顯得相當困難，再加上它容易發生二次崩潰，以及負崩潰溫度係數導致很難平行化此元件。基於這種缺點、POWERMOS在70年代發展之後就很的取代了BJT，POWERMOS不但沒有BJT的缺點，且在TURN-OFF也沒有少數載子的存在，使得操作速度可以更快，且具有很大的安全操作範圍，種種優勢使得POWERMOS成為許多應用上的主要元件。GDSMOSFETINTRODUCTIONN+P+PWELLN+EPISUBSTRATEDRAINGATESOURCEUNITCELLSEMTOP-VIEWWIREBONDDCPARAMETERBVDSS(VDS)&LEAKAGE(IDSS)BVGSS(VGS)&LEAKAGE(IGSS)ON-RESISTANCE(RDSON)THRESHOLDVOLTAGE(VGS(TH))FORWARDTRANSCONDUCTANCE(GFS)DIODEFORWARDVOLTAGE(VFSD)MOSFET參數特性-DCPARAMETERBVDSS:此為Drain端–Source端所能承受電壓值,主要受制內藏逆向二極體的耐壓,其測試條件為VGS=0V,ID=250uA.該特性與溫度成正比.IDSS:即所謂的洩漏電流，通常很小，但是有時為了確保耐壓，在晶片周圍的設計，多少會有洩漏電流成分存在，此最大可能達到標準值10倍以上。該特性與溫度成正比.GDSIDSSFORCEVDS=BVDSSMEASUREIDSDCPARAMETER-BVDSS/IDSSGDSFORCEID=250uAVDSMEASUREVDSBVGSS:此為GATE端–Source端的絕緣層所能承受電壓值,主要受制閘極氧化層的耐壓,其測試條件為VDS=0V,ISGS=800nA.該特性與溫度無關.IGSS:此為在閘極周圍所介入的氧化膜的洩極電流，此值愈小愈好，標準值約為10nA。當所加入的電壓，超過氧化膜的耐壓能力時，往往會使元件遭受破壞。DCPARAMETER-BVGSS/IGSSGDSFORCEIG=800nAVGSMEASUREVGSGDSFORCEVGS=BVGSSVGSMEASUREIGSSDCPARAMETER-RDSONRDSON:導通電阻值(ON-RESISTANCE)低壓POWERMOSFET最受矚目之參數RDS(on)=RSOURCE+RCHANNEL+RACCUMULATION+RJFET+RDRIFT(EPI)+RSUBSTRATE低壓POWERMOSFET導通電阻是由不同區域的電阻所組成，大部分存在於RCHANNEL，RJFET及REPI，在高壓MOS則集中於REPI。為了降低導通電阻值，Mosfet晶片技術上朝高集積度邁進，在製程演進上，TRENCHDMOS以其較高的集積密度，逐漸取代PLANARDMOS成為MOSFET製程技術主流。該特性與溫度成正比.N+P+PWELLN+EPISUBSTRATEDRAINGATESOURCEGDSFORCEIDSVGS@2.5/4.5/10VMEASUREVDS/IDSVDSVTH:使POWERMOS開始導通的輸入電壓稱THRESHOLDVOLTAGE。由於電壓在VGS(TH)以下，POWERMOS處於截止狀態，因此，VGS(TH)也可以看成耐雜訊能力的一項參數。VGS(TH)愈高，代表耐雜訊能力愈強，但是，如此要使元件完全導通，所需要的電壓也會增大，必須做適當的調整，一般約為2~4V，與BJT導通電壓VBE=0.6V比較，其耐雜訊能力相當良好。該特性與溫度成反比.DCPARAMETER-VTH02468101214161820012345678-5525125汲極電流閘極--源極電壓VGS啟閘值電壓VGS(TH)GDSFORCEIDS=250uAMEASUREVGSVDSDCPARAMETER-GFS/VDSGFS:代表輸入與輸出的關係即GATE電壓變化,DRAIN電流變化值,單位為S.當汲極電流愈大,GFS也會增大.在切換動作的電路中,GFS值愈高愈好.VFSD:此為二極體為順方向電流流通時的電壓降.GDSFORCEIDS=250uAMEASUREIDS/VGSVDSGDSFORCEISD=Constant(A)MEASUREVSDVSDVGS=0VACPARAMETERDYNAMICCHARACTERISTICSCISS,COSS,CRSSGATECHARGEQG/QGS/QGDTURN-ON/OFFDELAYTIMETD(ON)/TD(OFF)RISE/FALLTIMETR/TFMOSFET參數特性-ACPARAMETERACPARAMETER-CISS,COSS,CRSSCISS:此為POWERMOS在截止狀態下的閘極輸入容量，為閘--源極間容量CGS與閘--汲極間容量CGD之和。特別是CGD為空乏層容量。其導通時的最大值，即是VDS=0V時。COSS:此為汲極--源極間的電容量，也可以說是內藏二極體在逆向偏壓時的容量。CISS=CGS+CGDCOSS=CDS+CGS//CGDCRSS=CGDGDSCDSCGDCGSDRAINDrainN+PGATEN-CGDCGSCDSSOURCEDRAINCRSS:此為汲極--閘極間的電容量，此對於高頻切換動作最有不良影響。為了提高元件高頻特性，CGD要愈低愈好。ACPARAMETER-(TD(ON/OFF)&T(RISE/FALL))導通時間TON:此為導通延遲時間TD(ON)與上升時間TR的和。由閘極電壓上昇至10%到VDS由於ON而下降至90%之值為止的時間，稱之為TD(ON)，而進一步至VDS成為10%之值為止的時間稱之為TR。此一導通時間與閘極電壓以及信號源的阻抗有很大的關係，大致上成為TON》RG/VGS的關係。截流時間TOFF:此為截流時間TD(OFF)與下降時間TF之和。由閘極電壓下降至90%開始，至VDS成為OFF而上昇至10%之值為止的時間。稱之為TD(OFF)，更進一步至VDS上昇至90%為止的時間，稱之為TF。此一截流時間TOFF也與導通時間一樣與信號源阻抗及閘極電壓有很大關係。大致上可以用TOFF》RG/VGS表示。ACPARAMETER-QG,QGS,QGDPOWERMOS的切換動作過程可以說是一種電荷移送現象。由於閘極完全是由絕緣膜覆蓋，其輸入阻抗幾乎是無限大，完全看輸入電容量的充電/放電動作來決定切換動作的狀態。POWERMOS在導通前可以分--啟閘值電壓之前/開始導通/完全導通三種狀態:啟閘值電壓:在電壓達到啟閘值電壓之前，輸入電容量幾乎是與閘極電容量CGS相等。在閘極正下方的汲極領域的空乏區會擴展，閘極--汲極間的電容量與電極間距離有關。在導通的初期狀態，由於有Miller效應，輸入電容量的變化很複雜。當汲極電流愈增加時，Av也會增加，Miller效應會愈明顯。隨著汲極電流的增大，負載電阻的壓降也會增大，使加在POWERMOS的電壓下降。VgsGatetoSourceVoltage(V)020406080100QgTotalGateCharge(nC)20161284QgsQgdTotalQgACPARAMETER-QG,QGS,QGD開始導通:當所加的電壓VDS有變化時，空乏層的厚度d也會發生變化。完全導通:在完全導通時，輸入電容量可以視為CGD與CGS之和。GATEDRAINdd”N+PGATEDRAINe-e-e-e-N-GATEDRAINdN+PGATEDRAINN-MOSFET參數特性–POWERRELATEDPOWERRELATEDPOWERDISSAPATIONCURRENTRATINGMAXIMUMCURRENTREATIHGAVALANCHEPOWERRELATED-POWERDISSAPATIONPD:為元件上所能承受電功率.其運算式為:PD(max)=(TJ–TC)/RθJCPD(max)=(150℃-25℃)/2.1℃/W=60WTJ=元件接合溫度.TC=外殼溫度.RθJC=晶片至外殼的熱電阻ID:為元件所能提供最大連續電流.ID運算式:ID=√[PD/RDSON(MAX)]ID=√[60W/5*2.5Ω]=2A*PD=@TJ=150℃*RDSON(MAX)=R(T)*RDSON(MAX)POWERRELATED-CURRENTRATINGIDM:為元件所能承受瞬間最大電流.IDM運算法:關於IDM值,該值乃是根據RDSON–溫度曲線圖和熱阻曲線計算得知.1.由SINGLEPULSE300uS代入FIGURE得知R(T)約等於0.15.2.RθJC(T)=RθJC*R(T)=2.1℃/W*0.15=0.315℃/W3.PDM=(TJ-TC)/RθJC(T)=(150℃-25℃)/0.315℃/W=396℃/W.4.IDM=√[PDM/RDSON(max)]=√(396℃/W/10.5Ω)=6A.MAXIMUMCURRENTRATINGEASAVALANCHEENERGY計算公式如下:EAS=1/2*L*I*I[V(BR)DSS/(V(BR)DSS-VDD)]=1/2*60mH*2A*2A*[600/(600-50)]=120mJEAS=雪崩能量L=電感值I=電感峰值電流BVDSS=雪崩擊穿電壓VDD=電源電壓.MOSFET參數特性–POWERDISSAPATIONVDDVDSIASL0.01ΩRGtpD.U.T.tpVDDVDSV(BR)DDIASMOSFETDATASHEET-CEP(B)02N6MOSFETDATASHEET-CEP(B)02N6MOSFETDATASHEET-CEP(B)02N6THANKYOU!