簡介 功率 MOSFET 已經變成了標準選擇，被廣泛用作低壓 （<200V）開關模式電源 （SMPS）轉換器應用的主開關器 件。然而，利用制造商提供的數據手冊為特定電路拓撲選擇 合適的器件卻變得越來越困難。MOSFET 的主要選型標準是 與 MOSFET 有關的功率損耗 （與 SMPS 的總效率有關）和 MOSFET 的功耗能力 （與封裝的最高結溫和熱性能有關）。 本應用指南重點介紹了 MOSFET 的基本特性和知識。 有幾個影響 MOSFET 柵極的因素，并且在解釋 MOSFET 特 性之前，有必要了解器件結構方面的基礎知識。本應用指南 詳細介紹了溝槽 MOSFET 結構的基本結構，進而確定了寄生 元件，定義了相關術語。還介紹了如何以及為何會產生寄生 參數。由于具有各種拓撲、開關速度、負載電流和輸出電壓， 所以不可能確定能夠在較寬的電路條件范圍內實現最佳性能 的通用 MOSFET。某些情況下以導通電阻（RDS(on)）損耗為 主，而其它情況下則以瞬態(tài)電流和電壓波形的開關損耗或與 器件柵極驅動有關的損耗為主。并且，還證明 (1)(2) 了輸入和 輸出電容也可以是主要損耗。
MOSFET 選型所用的品質因數簡介
器件制造商還規(guī)定了不同靜態(tài)和動態(tài)條件下的 MOSFET 參 數，讓設計者難于進行同類產品對比，從而讓情況變得更加 混亂。因此，唯一正確的、選擇合適的 MOSFET 的方法是在 MOSFET 應用電路內比較所選器件。 有幾種方法可以讓設計者對比適于特定應用的 MOSFET，雖 然有時難于實現。其中一種方法就是根據品質因數來評估 MOSFET。在最簡單的形式中，品質因數會在給定的 RDS(on) 下比較柵極電荷 （Qg）。乘積結果與某項器件技術有關，它 能夠實現所需的 RDS(on) 或 Qg。然而，RDS(on) 越低，柵極電 荷越高。類似的器件對比方法為 “Baliga 高頻品質因數” - BHFFOM(1)，它假設主要開關損耗與輸入電容 （Ciss）充 / 放 電 有 關。第 三 種 方 法 是 使 用 “新 高 頻 品 質 因 數” - NHFFOM(2)，它假設主要開關損耗因輸出電容 （Coss）充 / 放電而起。后 2 種方法適于要在其中實現 MOSFET 的應用。 然而，這些方法只允許進行同類產品對比，用戶無法利用它 們確定具有某一品質因數的器件是否就一定比具有另一品質 因數的不同器件好。 Vishay Siliconix 系列 30V SO-8 N- 溝道 MOSFET 樣品的品 質因數 Qg x RDS(on) 如圖 1 所示。例如，在某些開關應用中， Si4888DY 可能優(yōu)于 Si4842DY，但是不可能利用該圖 - 或者 其它采用了更復雜的品質因數的圖 - 來客觀地確定最適于特 定應用的器件。 MOSFET 結構 大多數 MOSFET 參數和溝槽 MOSFET 的寄生參數的一般定 義如表 1 所示。 任何功率 MOSFET 器件的基礎都源于垂面 DMOS 技術。電 源產生的電流沿著表面橫向流動，然后轉向并沿著垂直方向 從相鄰體擴散之間的表面流走，穿過外延漏區(qū)、流入基片、再 流出背面的晶圓。沿平面在多晶硅柵層下形成溝道。然而，與 溝槽結構相比，平面結構的單元密度有限，因為在超高單元 密度下， JFET 夾斷效應 (1) 會增加器件導通電阻。 由于這類電氣與幾何限制，不僅無法保證將平面 DMOS 單元 密度進一步提高到 3000 萬單元 / 平方英寸以上，而且還極有 可能降低性能。只有消除夾斷效應，才能通過減少單元數量 大幅降低 MOSFET 導通電阻。
為了克服平面夾斷問題， Vishay Siliconix 器件的設計者實現 了溝槽柵垂直功率 MOSFET 或 TrenchFET。不是沿表面導 電， TrenchFET 通過沿著蝕入芯片的溝槽側壁垂直形成的溝 道導電。 溝槽 DMOS 橫截面如圖 2 所示。利用類似于平面 DMOS 的 封閉單元模式，溝槽形成了一個環(huán)繞硅島的柵極。每個硅島 都是雙擴散溝道區(qū)和發(fā)生相關源極擴散的地方。 溝槽被氧化，然后用導體填充，最后被展平以形成器件柵極。 利用這項溝槽技術，可以在不產生JFET夾斷效應的情況下提 高單元密度，同樣可以實現高單元密度 （>2 億單元 / 平方英 寸）。提高到該單元密度水平是很有益的，這樣就可以創(chuàng)建一 系列能夠均衡超低導通電阻、柵極特性和成本的器件。然而， 單位晶圓上晶片數量的增加（會提高成本優(yōu)勢）和 RDS(on) 降 低 （會提升性能）仍然是 2 大優(yōu)勢。 密度為 1.78 億單元 / 平方英寸的 MOSFET 溝槽晶片的橫截面 如圖 3 所示。這部分穿過了區(qū)內的超高密度晶圓，展示了高 密度單元擴展。為了實現這種單元數字，重點需要放在橫向 和垂直單元擴展上，這樣不僅可以優(yōu)化 RDS(on)，還可以優(yōu)化 柵極特性。 隨著設計用于提高單元密度的橫向擴展的發(fā)展，相關電容 （如圖 3b 所示）得到了改善，從而加強了快速開關，這對于 高頻操作 （>400kHz）是不可或缺的。此外，在輕電流負載 下，柵極驅動損耗成了影響總系統效率的重要因素，所以必 須考慮柵極電容。 通過改善垂直擴展，降低了電容，進而降低了 RDS(on)x Qg 值 （低于 100 （m Ω x nC））。 DMOS溝槽MOSFET的導通電阻是活動載流子必須流經的各 個區(qū)域的電阻之和 （如圖 2 所示）。

應該注意的是，對于平面 MOSFET 而言，RRDS(on) 值還包含 JFET 元件電阻。 MOSFET 的寄生電容 N-溝道MOSFET的簡圖如圖4所示，其中三個電容，即Cgd、 Cds 和 Cgs，代表寄生電容。這些數值可以計算出輸入電容、 輸出電容和反向傳輸電容，如表 1 所述。 然而，應該注意的是，由于等效電路不光包含 1 個電阻和 3 個電容，而是要復雜得多，所以這些電容只可用于了解開關 瞬態(tài)的特性。 柵漏極電容 Cgd 和柵源極電容 Cgs 屬于壓敏電容，因此電容 值隨施加在漏源極和器件的柵源極上的電壓而變。Cgd的變化 比 Cgs 大得多，只不過是因為其上施加的電壓比 Cgs 上的大 得多。Cgd 的變化 (1) 如圖 5 所示，可能高達 100 倍，通常接 近于 2 個靜態(tài)值。這些電容變化會影響施加在器件柵極上的 電壓，從而形成米勒平臺 (1)。這會在發(fā)生開關瞬態(tài)時產生斷 開和接通上升與下降時間，還會 “拉平”柵極電壓，如圖 6 所示。

結論 本應用指南是一系列介紹在開關模式電源內實現的功率 MOSFET 的基本特性與工作性能的技術文檔中的第一部。本 應用指南旨在向讀者全面介紹 Vishay Siliconix MOSFETs 所 采用的器件技術。 FOM 本身不能讓電源設計者選出理想器件，但卻概括了器件技術和可能實現的性能。要進行可靠的主觀分析，則必須修 改每個 FOM，以便包含 MOSFET 應用方面的信息。因此， 本應用指南定義了為特定應用選擇合適的器件時需要考慮的 主要特性 （表 1）。