李倩 發表於 2018-08-16 10:36:30
隨著社會的進步和發展，MOS管在電子行業的應用越來越廣泛，薩科微電子SLKOR作為能夠研發生產碳化矽SiC產品的「碳化矽專家」，必須來科普一下這方面的知識。
MOS即 MOSFET的簡寫，全稱是金屬氧化物場效應電晶體。就是利用輸入迴路的電場效應來控制輸出迴路電流的一種半導體器件。MOS管的構造、原理、特性、符號規則和封裝種類等，大致如下。
1、MOS管的構造：
MOS管的構造是在一塊摻雜濃度較低的P型半導體矽襯底上，用半導體光刻、擴散工藝製作兩個高摻雜濃度的 N+區，並用金屬鋁引出兩個電極，分別作為漏極D和源極S。然後在漏極和源極之間的P型半導體表面復蓋一層很薄的二氧化矽（Si02）絕緣層膜，在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極，作為柵極G。這就構成了一個N溝道（NPN 型）增強型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型半導體矽襯底上，用半導體光刻、擴散工藝製作兩個高摻雜濃度的P+區，及上述相同的柵極製作過程，就製成為一個P溝道（PNP型）增強型MOS管。圖1-1所示（a ）、（b）分別是P溝道MOS管道結構圖和代表符號。
2、MOS 管的工作原理：
從圖1-2-（a）可以看出，增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓VGS=0 時，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個PN結處於反偏狀態，漏-源極間沒有導電溝道（沒有電流流過），所以這時漏極電流ID=0。此時若在柵-源極間加上正向電壓，圖 1-2-(b)所示，即VGS＞0，則柵極和矽襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個柵極指向P型矽襯底的電場，由於氧化物層是絕緣的，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電容，VGS等效是對這個電容充電，並形成一個電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個電容的另一邊就聚集大量的電子並形成了一個從漏極到源極的N型導電溝道，當VGS大於管子的開啟電壓VT（一般約為2V）時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時的柵-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弱，就可以達到控制漏極電流 ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個重要特點，所以也稱之為場效應管。
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，由於SiO2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個電容存在，電壓VGS產生電場從而導致源極-漏極電流的產生。此時的柵極電壓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論：
1） MOS 管是一個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規則：
圖1-4-（a）是N溝道MOS管的符號，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向裡表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是 P溝道的MOS管。
實際在MOS管生產的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號的規則中，表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區別漏極和源極。圖1-4-（c）是P溝道MOS管的符號。MOS管應用電壓的極性和我們普通的晶體三極體相同，N溝道的類似NPN晶體三極體，漏極D接正極，源極S接負極，柵極G正電壓時導電溝道建立，N溝道MOS管開始工作,如圖1-4-（b）所示。同樣P道的類似PNP晶體三極體，漏極D接負極，源極S接正極，柵極G負電壓時，導電溝道建立，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）—半導體（semiconductor）場效應電晶體，或者稱是金屬—絕緣體（insulator） —半導體。MOS管的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個兩個區是一樣的，即使兩 端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。目前在市場應用方面，排名第一的是消費類電子電源適配器產品。而MOS管的應用領域排名第二的是計算機主板、NB、計算機類適配器、LCD顯示器等產品，隨著國情的發展計算機主板、計算機類適配器、LCD顯示器對MOS管的需求有要超過消費類電子電源適配器的現象了。第三的就屬網絡通信、工業控制、汽車電子以及電力設備領域了，這些產品對於MOS管的需求也是很大的，特別是現在汽車電子對於MOS管的需求直追消費類電子了。
下面對MOS失效的原因總結以下六點，然後對1，2重點進行分析：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，並且超過達到了一定的能力從而導致MOSFET失效。2：SOA失效（電流失效），既超出MOSFET安全工作區引起失效，分為Id超出器件規格失效以及Id過大，損耗過高器件長時間熱積累而導致的失效。3：體二極體失效：在橋式、LLC等有用到體二極體進行續流的拓撲結構中，由於體二極體遭受破壞而導致的失效。4：諧振失效：在並聯使用的過程中，柵極及電路寄生參數導致震蕩引起的失效。5靜電失效：在秋冬季節，由於人體及設備靜電而導致的器件失效。6：柵極電壓失效：由於柵極遭受異常電壓尖峰，而導致柵極柵氧層失效。雪崩失效分析（電壓失效）到底什麼是雪崩失效呢，簡單來說MOSFET在電源板上由於母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統電壓疊加在MOSFET漏源之間，導致的一種失效模式。簡而言之就是由於就是MOSFET漏源極的電壓超過其規定電壓值並達到一定的能量限度而導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。
可能我們經常要求器件生產廠家對我們電源板上的MOSFET進行失效分析，大多數廠家都僅僅給一個EAS.EOS之類的結論，那麼到底我們怎麼區分是否是雪崩失效呢，下面是一張經過雪崩測試失效的器件圖，我們可以進行對比從而確定是否是雪崩失效。雪崩失效的預防措施雪崩失效歸根結底是電壓失效，因此預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，目前行業內的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據企業的保修條款及電路關注點進行選取。2：合理的變壓器反射電壓。3：合理的RCD及TVS吸收電路設計。4：大電流布線儘量採用粗、短的布局結構，儘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，可以根據需要適當的加入RC減震或齊納二極體進行吸收。
SOA失效（電流失效）再簡單說下第二點，SOA失效SOA失效是指電源在運行時異常的大電流和電壓同時疊加在MOSFET上面，造成瞬時局部發熱而導致的破壞模式。或者是晶片與散熱器及封裝不能及時達到熱平衡導致熱積累，持續的發熱使溫度超過氧化層限制而導致的熱擊穿模式。關於SOA各個線的參數限定值可以參考下面圖片。
1：受限於最大額定電流及脈衝電流2：限於最大節溫下的RDSON。3：受限於器件最大的耗散功率。4：受限於最大單個脈衝電流。5：擊穿電壓BVDSS限制區我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處於上面限制區的範圍內，就能有效的規避由於MOSFET而導致的電源失效問題的產生。。
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。2：將OCP功能一定要做精確細緻。在進行OCP點設計時，一般可能會取1.1-1.5倍電流餘量的工程師居多，然後就根據IC的保護電壓比如0.7V開始調試RSENSE電阻。有些有經驗的人會將檢測延遲時間、CISS對OCP實際的影響考慮在內。但是此時有個更值得關注的參數，那就是MOSFET的Td（off）。它到底有什麼影響呢，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，有個下跌，這個下跌點後又有一段的上升時間，這段時間其本質就是IC在檢測到過流信號執行關斷後，MOSFET本身也開始執行關斷，但是由於器件本身的關斷延遲，因此電流會有個二次上昇平臺，如果二次上昇平臺過大，那麼在變壓器餘量設計不足時，就極有可能產生磁飽和的一個電流衝擊或者電流超器件規格的一個失效。3：合理的熱設計餘量，這個就不多說了，各個企業都有自己的降額規範，嚴格執行就可以了，不行就加散熱器。
在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導通電阻，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，但並不是優秀的，作為正式的產品設計也是不允許的。
1、MOS管種類和結構
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被**成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至於為什麼不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對於這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導通電阻，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，但並不是優秀的，作為正式的產品設計也是不允許的。
1、MOS管種類和結構
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被**成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至於為什麼不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對於這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，*。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
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