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1、POWER-MOSFET-POWER-MOSFET-参数参数特性简介特性简介簡介 - MOSFETvMOSFET INTRODUCTIONvDC PARAMETERvAC PARAMETERvPOWER RELATEDvDATA SHEET EXAMPLE MOSFET INTRODUCTIONPOWER MOSFET又稱DMOS(double diffused mos)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(POWER BJT) ，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
2、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、POWER MOS在70年代發展之後就很的取代了BJT，POWER MOS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POWER MOS 成為許多應用上的主要元件。GDSMOSFET INTRODUCTIONN+P+PWELLN+EPISUBSTRATEDRAINGATESOURCEUNIT CELL SEMTOP-VIEWWIRE BONDv DC PARAMETER BVDSS (VDS) & LE
3、AKAGE(IDSS) BVGSS (VGS) & LEAKAGE(IGSS) ON-RESISTANCE (RDSON) THRESHOLD VOLTAGE (VGS(TH) FORWARD TRANSCONDUCTANCE (GFS) DIODE FORWARD VOLTAGE (VFSD) MOSFET 參數特性-DC PARAMETERBVDSS: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=250 uA . 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
4、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=BVDSSMEASURE IDSDC PARAMETER-BVDSS/IDSSGDSFORCEID=250uAVDSMEASURE VDSBVGSS: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= 800 nA . 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。DC PARAMETER-BVGSS/
5、IGSSGDSFORCEIG=800nAVGSMEASURE VGSGDSFORCEVGS=BVGSSVGSMEASURE IGSSDC PARAMETER-RDSONRDSON:導通電阻值 (ON-RESISTANCE)低壓POWER MOSFET最受矚目之參數RDS(on)=RSOURCE + RCHANNEL + RACCUMULATION + RJFET + R DRIFT(EPI) + RSUBSTRATE低壓POWER MOSFET 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
6、片技術上朝高集積度邁進，在製程演進上，TRENCH DMOS以其較高的集積密度，逐漸取代PLANAR DMOS成為MOSFET製程技術主流。該特性與溫度成正比.N+P+PWELLN+EPISUBSTRATEDRAINGATESOURCEGDSFORCEIDSVGS2.5/4.5/10VMEASURE VDS/IDSVDSVTH:使 POWER MOS 開始導通的輸入電壓稱 THRESHOLD VOLTAGE。由於電壓在VGS(TH)以下， POWER MOS 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
7、導通，所需要的電壓也會增大，必須做適當的調整，一般約為 24V，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.DC PARAMETER-VTH汲極電流閘極-源極電壓VGS啟閘值電壓VGS(TH)GDSFORCEIDS=250uAMEASURE VGSVDSDC PARAMETER- 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=250uAMEASURE IDS/
8、VGSVDSGDSFORCEISD=Constant (A)MEASURE VSDVSDVGS= 0Vv AC PARAMETER DYNAMIC CHARACTERISTICS CISS , COSS ,CRSS GATE CHARGE QG/QGS/QGD TURN-ON/OFF DELAY TIME TD (ON) /TD (OFF) RISE / FALL TIME TR /TF MOSFET 參數特性 - AC PARAMETERAC PARAMETER - CISS , COSS ,CRSSCISS : 此為POWER MOS在截止狀態下的閘極輸入容量，為閘-源極 間容量CGS與閘
9、-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。AC PARAMETER- (TD(ON/OFF)&T(RISE/FALL)導通時間 TON :此為導通延遲時間TD(ON)與上
10、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。AC PARAME
11、TER - QG , QGS , QGDPOWER MOS 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。POWER MOS 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，
12、負載電阻的壓降也會增大，使加在POWER MOS 的電壓下降。Vgs Gate to Source Voltage(V)0 20 40 60 80 100 Qg Total Gate Charge(nC)20 16 12 8 4 QgsQgd Total QgAC PARAMETER - 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 PO
13、WER RELATED v POWER RELATED POWER DISSAPATION CURRENT RATING MAXIMUM CURRENT REATIHG AVALANCHE POWER RELATED-POWER DISSAPATIONPD:為元件上所能承受電功率.其運算式為:PD(max) = ( TJ TC) / RJCPD(max) = (150 - 25 ) / 2.1 /W = 60 WTJ = 元件接合溫度.TC = 外殼溫度.RJC = 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 = 60
14、W / 5*2.5 = 2A*PD = TJ=150 *RDSON(MAX) = R(T)*RDSON(MAX)POWER RELATED-CURRENT RATINGIDM : 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SINGLE PULSE 300uS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 /W 3.PDM = (TJ-TC)/R JC (T) = (150-25)/0.315 /W = 396/W
15、.4.IDM = PDM/RDSON(max) = (396/W /10.5) = 6 A . MAXIMUM CURRENT RATINGEAS AVALANCHE ENERGY 計算公式如下:EAS = 1/2*L*I*IV(BR)DSS/(V(BR)DSS-VDD) = 1/2 *60 mH *2 A *2A * 600/(600-50) =120 mJEAS=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 POWER DISSAPATIONVDDVDSIASL0.01RGtpD.U.T.tpVDDVDSV(BR)DDIASMOSFET DATA SHEET -CEP(B)02N6MOSFET DATA SHEET -CEP(B)02N6MOSFET DATA SHEET -CEP(B)02N6THANK YOU ! 结束结束
