MOSFET基本参数与原理.ppt

POWERMOSFET參數特性簡介FORDATASHEET 簡介 MOSFET MOSFETINTRODUCTIONDCPARAMETERACPARAMETERPOWERRELATEDDATASHEETEXAMPLE MOSFETINTRODUCTION POWERMOSFET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 MOSFETINTRODUCTION UNITCELLSEM TOP VIEW WIREBOND DCPARAMETERBVDSS VDS LEAKAGE IDSS BVGSS VGS LEAKAGE IGSS ON RESISTANCE RDSON THRESHOLDVOLTAGE VGS TH FORWARDTRANSCONDUCTANCE GFS DIODEFORWARDVOLTAGE VFSD MOSFET參數特性 DCPARAMETER BVDSS 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 DCPARAMETER BVDSS IDSS BVGSS 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 IGSS DCPARAMETER RDSON RDSON 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 VTH 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 VTH DCPARAMETER GFS VDS GFS 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 ACPARAMETERDYNAMICCHARACTERISTICSCISS COSS CRSSGATECHARGEQG QGS QGDTURN ON OFFDELAYTIMETD ON TD OFF RISE FALLTIMETR TF MOSFET參數特性 ACPARAMETER ACPARAMETER CISS COSS CRSS CISS 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 CGD CRSS 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 QGD POWERMOS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 ACPARAMETER 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 MOSFET參數特性 POWERRELATED POWERRELATEDPOWERDISSAPATIONCURRENTRATINGMAXIMUMCURRENTREATIHGAVALANCHE POWERRELATED POWERDISSAPATION PD 為元件上所能承受電功率 其運算式為 PD max TJ TC R JCPD max 150 25 2 1 W 60WTJ 元件接合溫度 TC 外殼溫度 R JC 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 5 2A PD TJ 150 RDSON MAX R T RDSON MAX POWERRELATED CURRENTRATING IDM 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 R JC T R JC R T 2 1 W 0 15 0 315 W3 PDM TJ TC R JC T 150 25 0 315 W 396 W 4 IDM PDM RDSON max 396 W 10 5 6A MAXIMUMCURRENTRATING EASAVALANCHEENERGY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 POWERDISSAPATION MOSFETDATASHEET CEP B 02N6 MOSFETDATASHEET CEP B 02N6 MOSFETDATASHEET CEP B 02N6 THANKYOU