詳解MOS管原理及幾種常見失效分析

MOS管英文全稱為Metal Oxide Semiconductor即金屬氧化物半導體，即在集成電路中絕緣性場效應管。確切的說，這個名字描述了集成電路中MOS管的結構，即：在一定結構的半導體器件上，加上二氧化矽和金屬，形成柵極。

MOS管的source和drain是可以對調的，都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，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。

MOS管工作原理

MOS管的工作原理(以N溝道增強型MOS場效應管)它是利用VGS來控制「感應電荷」的多少，以改變由這些「感應電荷」形成的導電溝道的狀況，然後達到控制漏極電流的目的。

在製造管子時，通過工藝使絕緣層中出現大量正離子，故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質的N區接通，形成了導電溝道，即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時，溝道內被感應的電荷量也改變，導電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

MOS管的分類

MOS管按溝道材料型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種，按導電方式又分耗盡型與增強型，所以MOS場效應電晶體分為N溝耗盡型和增強型，P溝耗盡型和增強型四大類。不過現實中，耗盡型的類型很少，而P溝道也比較少，最多的就是N溝道增強型。

大部分MOS管的外觀極其類似，常見的封裝種類有TO252 / TO220 / TO92 / TO3 / TO247等等，但具體的型號有成千上萬種，因此光從外觀是無法區分的。對於不熟悉型號，經驗又比較少的人來說，比較好的方法就是查器件的datasheet。

裡面會詳細告訴你，它的類型和具體參數，這些參數對於你設計電路極有用。我們區分類型，一般就是看型號，比如IRF530 / IRF540 / IRF3205 / IRPF250等這些都是很常見的N溝道增強型。

無論N型或者P型MOS管，其工作原理本質是一樣的，是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會發生像三極體做開關時的因基極電流引起的電荷存儲效應，因此在開關應用中，MOS管的開關速度應該比三極體快。

N型MOS管的特性：VGS大於一定的值就會導通，適合用於源極接地時的情況（低端驅動），只要柵極電壓達到一定電壓（如4V或10V，其他電壓看手冊）就可以了。

P型MOS管的特性：VGS小於一定的值就會導通，適合用於源極接VCC時的情況（高端驅動）。但是，雖然P型MOS管可以很方便地用作高端驅動，但由於導通電阻大、價格貴、替換種類少等原因，在高端驅動中通常還是使用N型MOS管。

MOS管失效的6大原因

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MOS管的額定電壓，並且超過達到了一定的能力從而導致MOS管失效。

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

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。

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。

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。

SOA失效(電流失效)：既超出MOS管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。

雪崩失效(電壓失效)

到底什麼是雪崩失效呢？簡單來說MOS管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MOS管漏源之間，導致的一種失效模式。簡而言之就是由於就是MOS管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。

雪崩破壞的預防措施：

合理降額使用。目前，行業內降額一般選擇80%-95%的降額。具體情況根據公司保修條款和電路重點來選擇。

合理的變壓器反射電壓。

合理的RCD和TVS吸收電路設計。

大電流接線儘量採用大、小布置，以減小接線寄生電感。

選擇一個合理的門電阻Rg。

在大功率電源中，可以根據需要增加RC阻尼或齊納二極體吸收。

柵極電壓失效

造成柵極電壓異常高的主要原因有三：生產、運輸、裝配過程中的靜電；電力系統運行中設備和電路寄生參數引起的高壓諧振；在高壓衝擊過程中，高壓通過Ggd傳輸到電網(在雷擊試驗中，這種原因引起的故障更常見)。

門極電壓失效的預防措施：

柵極和源極之間的過電壓保護：如果柵極和源極之間的阻抗過高，漏極和源極之間電壓的突然變化將通過電極間電容耦合到柵極上，導致非常高的UGS電壓超調，從而導致柵極超調。氧化物層永久性損壞。如果是正方向上的UGS瞬態電壓，設備也可能導通錯誤。為此，應適當降低柵極驅動電路的阻抗，並在柵極和源極之間並聯一個阻尼電阻或一個穩壓約20V的調壓器。必須特別注意防止開門操作。

排水管之間的過電壓保護：如果電路中存在電感負載，當設備關閉時，漏極電流(di/dt)的突然變化將導致漏極電壓超調，這遠遠高於電源電壓，從而導致設備損壞。應採取齊納鉗、RC鉗或RC抑制電路等保護措施。

靜電分析

靜電的基本物理特性是：有吸引力或斥力；有電場，與地球有電位差；產生放電電流。這三種情況對電子元件有以下影響：

該元件吸收灰塵，改變線路之間的阻抗，影響元件的功能和壽命。

由於電場或電流的作用，元件的絕緣層和導體損壞，使元件不能工作(完全損壞)。

由於電場的瞬時軟擊穿或電流過熱，元件受到損壞。雖然它還能工作，但它的生命受到了損害。

靜電失效預防措施：MOS電路輸入端的保護二極體在通電時的電流容限為1毫安。當可能出現過大的瞬時輸入電流(大於10mA)時，輸入保護電阻應串聯。同時，由於保護電路吸收的瞬時能量有限，過大的瞬時信號和過高的靜電電壓會使保護電路失效。因此，在焊接過程中，烙鐵必須可靠接地，以防止設備輸入端子洩漏。一般使用時，斷電後，可利用烙鐵的餘熱進行焊接，其接地腳應先焊好。

諧振失效

當功率MOS管並聯而不插入柵極電阻但直接連接時發生的柵極寄生振蕩。當漏源電壓在高速下反覆接通和斷開時，這種寄生振蕩發生在由柵極漏極電容Cgd(Crss)和柵極pin電感Lg構成的諧振電路中。當建立共振條件(ωL=1/ωC)時，在柵極和源極之間施加遠大於驅動電壓Vgs(in)的振動電壓，柵極因超過柵極源額定電壓而損壞，漏源電壓開關時的振動電壓通過柵極漏極電容器Cgd和Vgs的重疊波形產生正反饋，可能引起故障引起振蕩破壞。

諧振失效預防措施：阻力可以抑制由於阻尼引起的振蕩。然而，將一個小電阻串聯到柵極上並不能解決振蕩阻尼問題，主要原因是驅動電路的阻抗匹配和功率管開關時間的調整。

體二級管故障

在不同的拓撲和電路中，MOS管具有不同的作用。例如，在LLC中，體二極體的速度也是影響MOS管可靠性的一個重要因素。由於二極體本身是寄生參數，因此很難區分漏源體二極體故障和漏源電壓故障。二極體故障的解決方案主要是通過結合自身電路來分析。

SOA失效(電流失效)

半導體光放大器(SOA)失效是指在電源工作過程中，由於MOS管上同時疊加了異常大的電流和電壓而引起的損傷模式。或者，晶片、散熱器和封裝不能及時達到熱平衡，導致熱量積聚，並且連續熱產生導致溫度超過由於熱擊穿模式而導致的氧化物層的極限。

SOA失效的預防措施：確保在最壞的情況下，MOS管的所有功率限制都在SOA限制線之內；OCP功能必須精確、詳細。