MOSFET器件的分类以及Spice和Saber模型

近年来，由于功率半导体器件在实现电能的有效产生，传输，转换，存储和控制方面发挥着巨大作用，因此以MOSFET和IGBT为代表的功率晶体管受到越来越多的关注. 制造的关键.

MOSFET是电子工业中高频和高效开关领域的关键组件. 这种场效应晶体管是在1930年发明的，比双极晶体管要早20年，而功率MOSFET则是在1970年代中期诞生的. 如今，MOSFET已渗透到我们生活的方方面面，并广泛用于家用电器，汽车，电子电器，光伏，风电，铁路运输和其他工业领域.

1. MOSFET技术

基本上，MOSFET晶体管和双极型晶体管以相同的原理工作，并且都是电荷控制器件，它们的输出电流与半导体中控制电极形成的电荷成比例. 当这些设备用作开关时，它们必须由低阻抗源驱动，该源可以提供足够的灌电流和灌电流，以实现快速的电荷插入和提取. 从这一观点出发，在开关过程中，必须以类似于双极型晶体管的形式对MOSFET进行“硬”驱动电阻spice模型，以实现可比的开关速度. 从理论上讲，双极晶体管和MOSFET器件的开关速度几乎相同，这取决于电荷载流子在半导体区域中传播所需的时间. 功率设备的典型值约为20-200皮秒，具体取决于设备的大小.

MOSFET技术在数字和电源应用中的普及是由于它比双极结型晶体管具有两个主要优势. 优点之一是在高频开关应用中使用MOSFET器件非常重要. MOSFET晶体管的控制电极与导电设备隔离，因此易于驱动，因此无需连续导通电流. MOSFET晶体管导通后，其驱动电流几乎为零. 此外，大大减少了控制电荷，并且也大大减少了MOSFET晶体管的存储时间. 这基本上消除了导通电压降与关断时间之间的设计权衡，而导通状态电压降与控制电荷成反比. 因此，与双极型器件相比，MOSFET技术预示着使用更简单，更高效的驱动电路可带来可观的经济效益.

此外，必须强调的是，在功率应用中，MOSFET具有电阻性. MOSFET的漏-源端子两端的电压降是流入半导体的电流的线性函数. 此线性关系的特征在于MOSFET的RDS（on），也称为导通电阻. 对于指定的栅源电压和器件温度，导通电阻恒定. 与p-n结的温度系数-2.2mV /°C不同，MOSFET的温度系数为正值，约为0.7％/°C至1％/°C. 由于MOSFET具有该正温度系数，因此在不可行或不可能使用单个器件的情况下，它是大功率应用中并行操作的理想选择. 由于沟道电阻具有正温度系数，因此多个并联的MOSFET均匀地分配电流. 正温度系数充当缓慢的负反馈系统，因此可以在多个MOSFET上自动实现电流共享.

具有更大载流能力的设备将产生更多的热量，请不要忘记漏极-源极电压相等-温度的升高将增加其RDS（on）值. 增大电阻会导致电流减小，从而降低温度. 最终，当并联设备承载的电流大小相似时，它们将达到平衡. RDS（on）值和不同结至环境热阻的初始容差可能会导致电流分布中的误差高达30％.

2. MOSFET器件的分类

几乎所有制造商都有自己独特的制造优质MOSFET的方法，但是市场上的所有器件都可以分为三种基本类型.

图1.功率MOSFET器件类型

（a）自1970年代以来，双扩散MOS晶体管已用于电源应用电阻spice模型，并且在过去几年中得到了发展. 使用多晶硅栅极结构和自校准工艺可以提高集成密度并迅速减小电容.

（b）第二个主要改进来自V型沟槽或沟槽技术，该技术进一步提高了功率MOSFET器件的单元密度. 提高性能和集成密度并不容易；但是，沟槽式MOS器件的制造工艺更加困难.

（c）横向功率MOSFET大大降低了电容，因此开关速度大大提高，所需的栅极驱动功率也大大降低.

3. MOSFET模型

提供了多种模型来解释MOSFET的工作原理，但是可能很难找到合适的描述. 大多数MOSFET制造商都为其设备提供Spice和/或Saber模型，但是这些模型很少提及设计人员在实践中遇到的应用陷阱. 即使解决最常见的设计问题，它们也提供很少的线索.

功率MOSFET型号

一个实用的MOSFET模型需要从应用的角度描述该器件的所有重要特性，因此非常复杂. 另一方面，如果我们将模型的适用性限制为特定的问题域，则可以从MOSFET晶体管得出一些简单而有意义的模型:

（a）根据MOSFET器件的实际结构，它主要用于DC分析. MOSFET符号表示沟道电阻，JFET对应于外延层的电阻. 因此，EPI层的电阻是器件额定电压的函数，而高压MOSFET需要的外延层更厚.

（b）用于模拟dv / dt引起的MOSFET击穿特性. 作为栅极端子阻抗的函数，它展示了两种主要的击穿机制，即dv / dt导致所有功率MOSFET中的寄生双极晶体管导通，而dv / dt导致沟道导通. 由于制造工艺的改进，现代功率MOSFET实际上不受寄生NPN晶体管的dv / dt触发事件的影响，从而降低了基极和发射极区域的电阻. 还必须提到的是，寄生双极晶体管也具有另一个重要作用. 其基极-集电极结是著名的MOSFET体二极管.

（c）MOSFET的开关模型. 该模型显示了影响开关性能的最重要的寄生器件.

目前，新能源汽车的快速增长是功率半导体市场的主要动能. 另一个即将爆炸的应用市场是工业物联网，它将继续为MOSFET，IGBT，快速恢复二极管（FRD），VDMOS，SCR，大功率晶闸管（GTO）和其他功率半导体公司提供更大的市场增长机会.

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