隨著製造技術的發展和進步，係統設計人員必須跟上技術的發展步伐，才能為其設計挑選最合適的電子器件。MOSFET是電氣係統中的基本部件，工程師需要深入了解它的關鍵特性及指標才能做出正確選擇。本文將討論如何根據RDS(ON)
、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關性能指標來選擇正確的MOSFET。

 

MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率係統中，MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻
，稱為導通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的de柵zha極ji是shi個ge高gao阻zu抗kang端duan，因yin此ci，總zong是shi要yao在zai柵zha極ji加jia上shang一yi個ge電dian壓ya。如ru果guo柵zha極ji為wei懸xuan空kong，器qi件jian將jiang不bu能neng按an設she計ji意yi圖tu工gong作zuo，並bing可ke能neng在zai不bu恰qia當dang的de時shi刻ke導dao通tong或huo關guan閉bi，導dao致zhi係xi統tong產chan生sheng潛qian在zai的de功gong率lv損sun耗hao。當dang源yuan極ji和he柵zha極ji間jian的de電dian壓ya為wei零ling時shi

，開kai關guan關guan閉bi，而er電dian流liu停ting止zhi通tong過guo器qi件jian。雖sui然ran這zhe時shi器qi件jian已yi經jing關guan閉bi，但dan仍reng然ran有you微wei小xiao電dian流liu存cun在zai
，這zhe稱cheng之zhi為wei漏lou電dian流liu，即jiIDSS。

 

 

為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中
，當一個MOSFET接地，而負載連接到幹線電壓上時，該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中

，應采用N溝道MOSFET，這是出於對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET，這也是出於對電壓驅動的考慮。

 

yaoxuanzeshiheyingyongdeqijian，bixuquedingqudongqijiansuoxudedianya，yijizaishejizhongzuijianyizhixingdefangfa。xiayibushiquedingsuoxudeedingdianya，huozheqijiansuonengchengshoudezuidadianya。edingdianyayueda
，qijiandechengbenjiuyuegao。genjushijianjingyan
，edingdianyayingdangdayuganxiandianyahuozongxiandianya。zheyangcainengtigongzugoudebaohu

，shiMOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓
，即最大VDS。知道MOSFET能(neng)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)會(hui)隨(sui)溫(wen)度(du)而(er)變(bian)化(hua)這(zhe)點(dian)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)在(zai)整(zheng)個(ge)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)測(ce)試(shi)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)。額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)必(bi)須(xu)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)餘(yu)量(liang)覆(fu)蓋(gai)這(zhe)個(ge)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)，確(que)保(bao)電(dian)路(lu)不(bu)會(hui)失(shi)效(xiao)。設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)其(qi)他(ta)安(an)全(quan)因(yin)素(su)包(bao)括(kuo)由(you)開(kai)關(guan)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)(如電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V
、FPGA電源為20～30V
、85～220VAC應用為450～600V。

 

 

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在係統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈衝尖峰。在連續導通模式下
，MOSFET處於穩態，此時電流連續通過器件。脈衝尖峰是指有大量電湧(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，隻需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。

 

選好額定電流後，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET並不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗

，這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，並隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由於導通電阻隨溫度變化
，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高

，RDS(ON)就會越小；反之RDS(ON)就會越高。對係統設計人員來說，這就是取決於係統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)
，而對於工業設計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關於RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。

 

技術對器件的特性有著重大影響

，因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對於這樣的技術，如果打算降低VDS和RDS(ON)，namejiudezengjiajingpianchicun，congerzengjiayuzhipeitaodefengzhuangchicunjixiangguandekaifachengben。yejiexianyouhaojizhongshitukongzhijingpianchicunzengjiadejishu，qizhongzuizhuyaodeshigoudaohedianhepinghengjishu。

 

在溝道技術中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用於降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如
，飛兆半導體開發了稱為SuperFET的技術，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的製造步驟。這種對RDS(ON)的關注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會隨之呈指數級增加
，並且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數關係變成了線性關係。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸
，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對於最終用戶來說

，這意味著封裝尺寸的大幅減小。

 

選擇MOSFET的de下xia一yi步bu是shi計ji算suan係xi統tong的de散san熱re要yao求qiu。設she計ji人ren員yuan必bi須xu考kao慮lv兩liang種zhong不bu同tong的de情qing況kuang
，即ji最zui壞huai情qing況kuang和he真zhen實shi情qing況kuang。建jian議yi采cai用yong針zhen對dui最zui壞huai情qing況kuang的de計ji算suan結jie果guo，因yin為wei這zhe個ge結jie果guo提ti供gong更geng大da的de安an全quan餘yu量liang，能neng確que保bao係xi統tong不bu會hui失shi效xiao。在zaiMOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻

，以及最大的結溫。

 

器件的結溫等於最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據這個方程可解出係統的最大功率耗散
，即按定義相等於I2×RDS(ON)。由於設計人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量
；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

 

雪(xue)崩(beng)擊(ji)穿(chuan)是(shi)指(zhi)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)上(shang)的(de)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)最(zui)大(da)值(zhi)
，並(bing)形(xing)成(cheng)強(qiang)電(dian)場(chang)使(shi)器(qi)件(jian)內(nei)電(dian)流(liu)增(zeng)加(jia)。該(gai)電(dian)流(liu)將(jiang)耗(hao)散(san)功(gong)率(lv)

，使(shi)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)，而(er)且(qie)有(you)可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)器(qi)件(jian)。半(ban)導(dao)體(ti)公(gong)司(si)都(dou)會(hui)對(dui)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)雪(xue)崩(beng)測(ce)試(shi)
，計(ji)算(suan)其(qi)雪(xue)崩(beng)電(dian)壓(ya)
，或(huo)對(dui)器(qi)件(jian)的(de)穩(wen)健(jian)性(xing)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。計(ji)算(suan)額(e)定(ding)雪(xue)崩(beng)電(dian)壓(ya)有(you)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)；一是統計法
，另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。

 

不少公司都有提供其器件測試的詳情
，如飛兆半導體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網站去下載）。除chu計ji算suan外wai
，技ji術shu對dui雪xue崩beng效xiao應ying也ye有you很hen大da影ying響xiang。例li如ru，晶jing片pian尺chi寸cun的de增zeng加jia會hui提ti高gao抗kang雪xue崩beng能neng力li，最zui終zhong提ti高gao器qi件jian的de穩wen健jian性xing。對dui最zui終zhong用yong戶hu而er言yan
，這zhe意yi味wei著zhe要yao在zai係xi統tong中zhong采cai用yong更geng大da的de封feng裝zhuang件jian。

 

 

選擇MOSFET的最後一步是決定MOSFET的開關性能。影響開關性能的參數有很多
，但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOSFET的開關速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關過程中器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。

 

基於開關性能的重要性
，新的技術正在不斷開發以解決這個開關問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷；而這會使器件尺寸增大。為了減少開關損耗，新的技術如溝道厚底氧化已經應運而生
，旨在減少柵極電荷。舉例說，SuperFET這種新技術就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)，最大限度地減少傳導損耗和提高開關性能。這樣，MOSFET就能應對開關過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，甚至可在更高的開關頻率下可靠地工作。