被忽略的細節(jié):理解MOSFET額定電壓BVDSS
看到這個主題,可能有些工程師會問:多少伏的功率MOSFET,耐壓BVDSS不就是多少伏嗎?這里面還有什么被忽略的內(nèi)容?細節(jié)決定技術,今天研究功率MOSFET數(shù)據(jù)表中BVDSS所隱藏的一些有意思的細節(jié),來理解這個參數(shù)所設定的含義。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201610/311244.htm數(shù)據(jù)表中漏源擊穿電壓BVDSS通常定義為漏電流為250uA時漏極到源極的電壓,漏極到源極的漏電流表示為IDSS。數(shù)據(jù)表中標稱BVDSS電壓是在柵極和源極S短路、25℃的工作溫度、漏極和源極不發(fā)生雪崩擊穿時,所能施加的最大的額定電壓,測試的電路如圖1所示。關于雪崩擊穿問題將在雪崩能量的相關章節(jié)專門的討論。
圖1:BVDSS測試電路
功率MOSFET的耐壓由結構中低摻雜層的外延層epi厚度N-決定。功率MOSFET的N+源極和P-體區(qū)形成的結通過金屬物短路,從而避免寄生三極管的意外導通。當柵極沒有加驅動電壓時,功率MOSFET通過反向偏置的P-體區(qū)和N-的epi層形成的PN結承受高的漏極電壓。在高壓器件中絕大部分電壓由低摻雜的epi層來承受:厚的、低摻雜的epi層可以承受更高的擊穿耐壓,但是增加了導通電阻。
在低壓器件中,P-體區(qū)摻雜程度和N-的epi層差不多,也可以承受電壓。如果P-體區(qū)的厚度不夠,高摻雜太高,耗盡區(qū)可以由通孔達到N源極區(qū),從而降低了擊穿電壓值。如果P-體區(qū)的厚度太大,高摻雜不夠,溝道的電阻和閾值電壓將增大。因此需要仔細的設計P-體區(qū)、epi摻雜和厚度以優(yōu)化其性能。
在MOSFET數(shù)據(jù)表中標有測試條件,當測試條件不同時,結果會不同,如下圖所示,標出了5個不同的產(chǎn)品的測試條件。標明測試條件的原因在于,當不同的操作者在不同的時間進行測試時,結果是可以重復的,這也是研發(fā)工程師編寫測試結果和報告的時候,一個最基本的要求。
從表中看到區(qū)別了嗎?5個不同的產(chǎn)品,測試條件ID的值,有的用250uA,有的用1mA,有的甚至有用10mA。有一次和深圳航嘉工程師交流時候,一位非常有經(jīng)驗的采購工程師吳夏,也注意到這個問題。那么,為什么會采用不同的測試條件?
測量BVDSS就是功率MOSFET的D、S加電壓時,從原理上相當于內(nèi)部的寄生二極管工作在反向特性區(qū),如圖所示,當測試的IDSS值越大,所得到的BVDSS電壓值越高。因此使用不同的測試標準時,實際的性能會有較大的差異,也就是當改用更大的測試電流的時候,所得到的名義電壓更高,到這里大家明白了為什么有些公司會采用不同的測量規(guī)范,那么這種方法會被認同嗎?
圖2:二極管反向特性區(qū)
漏源極擊穿電壓BVDSS有正溫度系數(shù),溫度增加,BVDSS也增加。因為隨著溫度的升高,晶格的熱振動加劇,致使載流子運動的平均自由路程縮短。因此,在與原子碰撞前由外加電場加速獲得的能量減小,發(fā)生碰撞電離的可能性也相應減小。MOSFET耐壓的測量基于一定的漏極電流,溫度升高時,為了達到同樣的測量漏極電流,在這種情況下,只有提高反向電壓,進一步增強電場,才能達到要求的測試電流值。所以,表面上看起來,溫度增加,測量得到的耐壓也相應的提高。
溫度系數(shù)不同公司的標注方法也不同,如下圖所示,有些公司直接在表格中列出數(shù)值,有些公司使用圖表。同樣可以看到,測試條件也不同,測量時ID的值有的用250uA,有的用1mA,同樣的,不同測試條件結果也會不一樣,那么大家認為測試時采用的IDSS越大還是越小,溫度系數(shù)越小呢?
BVDSS具有正的溫度系數(shù),溫度高,功率MOSFET的耐壓高,那是不是表明MOSFET對電壓尖峰有更大的裕量,更安全?由于MOSFET損壞的最終原因是溫度,更多時候是芯片內(nèi)部局部單元的過溫,導致局部的過熱損壞,在芯片整體溫度提高的條件下,MOSFET更容易發(fā)生單元的熱和電流不平衡,從而導致?lián)p壞。
在實際應用中,應該基于系統(tǒng)最惡劣條件下來考慮擊穿電壓。選擇漏源極電壓BVDSS的基本原則為:在實際工作環(huán)境中,在動態(tài)的極端條件下,瞬態(tài)的電壓峰值不要超過MOSFET的額定值。有些客戶的要求,最大的峰值漏源極的電壓最多不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的90%。有時候一些用戶會采用更低的、80%的降額要求。
另外,在測量MOSFET的DS的電壓時候,要保證正確的測量方法。
(1)如同測量輸出電壓的紋波一樣,所有工程師都知道,要去除示波器探頭的帽子,直接將探頭的信號尖端和地線接觸被測量位置的兩端,減小地線的環(huán)路,從而減小空間耦合的干擾信號。
(2)帶寬的問題,測量輸出電壓紋波的時候,通常用20MHZ的帶寬,但是,測量MOSFET的VDS電壓時候,用多少帶寬才是正確的測量方法?事實上,如果用不同的帶寬,測量到的尖峰電壓的幅值是不同的。具體原則是:
?、俅_定被測量信號的最快上升Tr和下降時間Tf;
?、谟嬎阕罡叩男盘栴l率:f=0.5/Tr,Tr取測量信號的10%~90%;f=0.4/Tr,Tr取測量信號的20%~80%;
?、鄞_定所需的測量精確度,然后計算所需的帶寬。
例如:在波形中,被測量信號最快的下降時間為2ns(10%~90%),判斷一個高斯響應示波器在測量被測數(shù)字信號時所需的最小帶寬:
fB=0.5/2ns=250MHz
若要求3%的測量誤差,所需示波器帶寬:
fB=1.9*250=475MHz
若要求20%的測量誤差:所需示波器帶寬:
fB=1.0*250=250MHz
因此,決定示波器帶寬的重要因素是:被測信號的最快上升時間。注意:示波器的系統(tǒng)帶寬由示波器帶寬和探頭帶寬共同決定。
高斯頻響的系統(tǒng)帶寬:(示波器帶寬2+探頭帶寬2)1/2/2
最大平坦頻響系統(tǒng)帶寬:min(示波器帶寬,探頭帶寬)
評論