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隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，MOS管在電子行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，薩科微電子SLKOR作為能夠研發(fā)生產(chǎn)碳化硅SiC產(chǎn)品的“碳化硅專家”，必須來科普一下這方面的知識(shí)。
MOS即 MOSFET的簡寫，全稱是金屬氧化物場效應(yīng)晶體管。就是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。MOS管的構(gòu)造、原理、特性、符號(hào)規(guī)則和封裝種類等，大致如下。
1、MOS管的構(gòu)造：
MOS管的構(gòu)造是在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的 N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道（NPN 型）增強(qiáng)型MOS管。它的柵極和其它電極間是絕緣的。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個(gè)P溝道（PNP型）增強(qiáng)型MOS管。圖1-1所示（a ）、（b）分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
2、MOS 管的工作原理：
從圖1-2-（a）可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0 時(shí)，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道（沒有電流流過），所以這時(shí)漏極電流ID=0。此時(shí)若在柵-源極間加上正向電壓，圖 1-2-(b)所示，即VGS＞0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓 VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個(gè)電容，VGS等效是對這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT（一般約為2V）時(shí)，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示。控制柵極電壓VGS的大小改變了電場的強(qiáng)弱，就可以達(dá)到控制漏極電流 ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個(gè)重要特點(diǎn)，所以也稱之為場效應(yīng)管。
3、MOS 管的特性：
上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于SiO2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個(gè)電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場從而導(dǎo)致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結(jié)論：
1） MOS 管是一個(gè)由改變電壓來控制電流的器件，所以是電壓器件。
2） MOS 管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。
4、MOS 管的電壓極性和符號(hào)規(guī)則：
圖1-4-（a）是N溝道MOS管的符號(hào)，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是 P溝道的MOS管。
實(shí)際在MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號(hào)的規(guī)則中，表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。圖1-4-（c）是P溝道MOS管的符號(hào)。MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負(fù)極，柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開始工作,如圖1-4-（b）所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏極D接負(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作,如圖1-4-（d）所示。
N溝道MOS管符號(hào)圖1-4-（a）
N溝道MOS管電壓極性及襯底連接1-4-（b）
（c）
（d）
P溝道MOS管符號(hào)圖1-4-（c）
P溝道MOS管電壓極性及襯底連接1-4-（d）
MOS管是金屬（metal）—氧化物（oxide）—半導(dǎo)體（semiconductor）場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體（insulator） —半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩 端對調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。目前在市場應(yīng)用方面，排名第一的是消費(fèi)類電子電源適配器產(chǎn)品。而MOS管的應(yīng)用領(lǐng)域排名第二的是計(jì)算機(jī)主板、NB、計(jì)算機(jī)類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品，隨著國情的發(fā)展計(jì)算機(jī)主板、計(jì)算機(jī)類適配器、LCD顯示器對MOS管的需求有要超過消費(fèi)類電子電源適配器的現(xiàn)象了。第三的就屬網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子以及電力設(shè)備領(lǐng)域了，這些產(chǎn)品對于MOS管的需求也是很大的，特別是現(xiàn)在汽車電子對于MOS管的需求直追消費(fèi)類電子了。
下面對MOS失效的原因總結(jié)以下六點(diǎn)，然后對1，2重點(diǎn)進(jìn)行分析：1：雪崩失效（電壓失效），也就是我們常說的漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓，并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。2：SOA失效（電流失效），既超出MOSFET安全工作區(qū)引起失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大，損耗過高器件長時(shí)間熱積累而導(dǎo)致的失效。3：體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。4：諧振失效：在并聯(lián)使用的過程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。5靜電失效：在秋冬季節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。6：柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效。雪崩失效分析（電壓失效）到底什么是雪崩失效呢，簡單來說MOSFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在MOSFET漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見的失效模式。下面的圖片為雪崩測試的等效原理圖，做為電源工程師可以簡單了解下。
可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對我們電源板上的MOSFET進(jìn)行失效分析，大多數(shù)廠家都僅僅給一個(gè)EAS.EOS之類的結(jié)論，那么到底我們怎么區(qū)分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過雪崩測試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對比從而確定是否是雪崩失效。雪崩失效的預(yù)防措施雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效，因此預(yù)防我們著重從電壓來考慮。具體可以參考以下的方式來處理。1：合理降額使用，目前行業(yè)內(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行選取。2：合理的變壓器反射電壓。3：合理的RCD及TVS吸收電路設(shè)計(jì)。4：大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu)，盡量減少布線寄生電感。5：選擇合理的柵極電阻Rg。6：在大功率電源中，可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。
SOA失效（電流失效）再簡單說下第二點(diǎn)，SOA失效SOA失效是指電源在運(yùn)行時(shí)異常的大電流和電壓同時(shí)疊加在MOSFET上面，造成瞬時(shí)局部發(fā)熱而導(dǎo)致的破壞模式。或者是芯片與散熱器及封裝不能及時(shí)達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。關(guān)于SOA各個(gè)線的參數(shù)限定值可以參考下面圖片。
1：受限于最大額定電流及脈沖電流2：限于最大節(jié)溫下的RDSON。3：受限于器件最大的耗散功率。4：受限于最大單個(gè)脈沖電流。5：擊穿電壓BVDSS限制區(qū)我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)，就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導(dǎo)致的電源失效問題的產(chǎn)生。。
1：確保在最差條件下，MOSFET的所有功率限制條件均在SOA限制線以內(nèi)。2：將OCP功能一定要做精確細(xì)致。在進(jìn)行OCP點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一般可能會(huì)取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗(yàn)的人會(huì)將檢測延遲時(shí)間、CISS對OCP實(shí)際的影響考慮在內(nèi)。但是此時(shí)有個(gè)更值得關(guān)注的參數(shù)，那就是MOSFET的Td（off）。它到底有什么影響呢，我們看下面FLYBACK電流波形圖（圖形不是太清楚，十分抱歉，建議雙擊放大觀看）。
從圖中可以看出，電流波形在快到電流尖峰時(shí)，有個(gè)下跌，這個(gè)下跌點(diǎn)后又有一段的上升時(shí)間，這段時(shí)間其本質(zhì)就是IC在檢測到過流信號(hào)執(zhí)行關(guān)斷后，MOSFET本身也開始執(zhí)行關(guān)斷，但是由于器件本身的關(guān)斷延遲，因此電流會(huì)有個(gè)二次上升平臺(tái)，如果二次上升平臺(tái)過大，那么在變壓器余量設(shè)計(jì)不足時(shí)，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個(gè)電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個(gè)失效。3：合理的熱設(shè)計(jì)余量，這個(gè)就不多說了，各個(gè)企業(yè)都有自己的降額規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行就可以了，不行就加散熱器。
在使用MOS管設(shè)計(jì)開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，大部分人都會(huì)考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。
1、MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被**成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
在使用MOS管設(shè)計(jì)開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，大部分人都會(huì)考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。
1、MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被**成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，*。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
