如何降低mosfet導(dǎo)通壓降-降低高壓MOSFET導(dǎo)通電阻原理與方法?-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2020-09-29
如何降低mosfet導(dǎo)通壓降,Rds(on)是MOS管導(dǎo)通時,D極和S極之間的內(nèi)生電阻,它的存在會產(chǎn)生壓降,所以越小越好。D極與S極間電流Id最大時完全導(dǎo)通。在圖中可以看到Vgs=10v完全導(dǎo)通,電阻Rds=5歐左右,電流Id=500mA(最大,完全導(dǎo)通),產(chǎn)生壓降Vds=2.5v。而Vgs=4.5v時,Id=75mA(不是最大,沒完全導(dǎo)通),Rds=5.3歐左右,雖然沒完全導(dǎo)通,但產(chǎn)生的壓降Vds=0.4v最小,比Vgs=10v產(chǎn)生的壓降小得多。
對于信號控制(控制DS極導(dǎo)通接地實現(xiàn)高低平)來說只要電壓,不需要電流,所以只要求MOS管導(dǎo)通時產(chǎn)生的壓降越小越好,可以使D極的電壓直接被拉為接近0v,因此首選Vgs=4.5v左右,而不選10v。有些用于信號控制的MOS管如2N7002K,Vgs為10V和4.5V時產(chǎn)生的壓降差不多,可以根據(jù)情況選擇10v或者4.5v左右的導(dǎo)通電壓。因此對信號控制來說,原則上是選擇導(dǎo)通時產(chǎn)生的壓降越小越好。
從圖中可以看出Vgs為10v和4.5v時,Id為12.4A,都達到最大,都可完全導(dǎo)通。但10v比4.5v的導(dǎo)通電阻小,產(chǎn)生壓降小(大約差0.7v),并且10v的開關(guān)速度快,損失的能量少,開關(guān)效率高,所以首選10v。
至于P溝道MOS管,跟N溝道的差不多,它用在信號控制方面的很少,主要是用在電源控制如AO4425,G極電壓必須低于S極10V以上,也就是Vgs《-10v,才能完全導(dǎo)通(Rds= 9 mΩ左右)。
如下圖
總結(jié):如何降低mosfet導(dǎo)通壓降,信號控制使用的MOS管,只要電壓,不需要電流,要求導(dǎo)通時產(chǎn)生的壓降Vds最小,首選Vgs=4.5v左右,對信號控制來說,原則上是選擇導(dǎo)通時產(chǎn)生的壓降越小越好。電源控制使用的MOS管,既要電壓也要電流,要求完全導(dǎo)通,要求Id最大,產(chǎn)生的壓降Vds最小,首選Vgs=10v左右。
MOS管與一般晶體三極管是不同的。它是電壓控制元件,它是柵極電壓控制的是S-D極間的體電阻。在柵極施加不同的電壓,源-漏極之間就會有電阻的變化,這就是MOS管的工作原理。柵極電壓對應(yīng)在器件S-D極的電阻變化曲線可以查器件手冊。根據(jù)MOS管的這個特性,既可以選擇將MOS管作放大器工作,也可以選擇作為開關(guān)工作。
1、不同耐壓的MOSFET的導(dǎo)通電阻分布
不同耐壓的MOSFET,其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOSFET,其外延層電阻僅為 總導(dǎo)通電阻的29%,耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導(dǎo)通電阻將幾乎被外 延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓,就必須采用高電阻率的外延層,并增厚。這就是常規(guī)高壓MOSFET結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高導(dǎo)通電阻的根本原因。
2、降低高壓MOSFET導(dǎo)通電阻的思路
增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻,但成本的提高所付出的代價是商業(yè)品所不允許的。引入少數(shù)載流子導(dǎo)電雖能降低導(dǎo)通壓降,但付出的代價是開關(guān)速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流,開關(guān)損耗增加,失去了MOSFET的高速的優(yōu)點。
以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導(dǎo)通電阻,所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導(dǎo)電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如除導(dǎo)通時低摻雜的高耐壓外延層對導(dǎo)通電阻只能起增大作用外并無其他用途。這樣,是否可以將導(dǎo)電通道以高摻雜較低電阻率實現(xiàn),而在MOSFET關(guān)斷時,設(shè)法使這個通道以某種方式夾斷,使整個器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層?;谶@種思想,1988年INFINEON推出內(nèi)建橫向電場耐壓為600V的 COOLMOS,使這一想法得以實現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖3所示。
與常規(guī)MOSFET結(jié)構(gòu)不同,內(nèi)建橫向電場的MOSFET嵌入垂直P區(qū)將垂直導(dǎo)電區(qū)域的N區(qū)夾在中間,使MOSFET關(guān)斷時,垂直的P與N之間建立橫向電場,并且垂直導(dǎo)電區(qū)域的N摻雜濃度高于其外延區(qū)N-的摻雜濃度。
當VGS<VTH時,由于被電場反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道不能形成,并且D,S間加正電壓,使MOSFET內(nèi)部PN結(jié)反偏形成耗盡層,并將垂直導(dǎo)電的N 區(qū)耗盡。這個耗盡層具有縱向高阻斷電壓,如圖3(b)所示,這時器件的耐壓取決于P與N-的耐壓。因此N-的低摻雜、高電阻率是必需的。
當CGS>VTH時,被電場反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進入被耗盡的垂直的N區(qū)中和正電荷,從而恢復(fù)被耗盡的N型特性,因此導(dǎo)電溝道形成。由于垂直N區(qū)具有較低的電阻率,因而導(dǎo)通電阻較常規(guī)MOSFET將明顯降低。
如何降低mosfet導(dǎo)通壓降,通過以上分析可以看到:阻斷電壓與導(dǎo)通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開,解決了阻斷電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾,同時也將阻斷時的表面PN結(jié)轉(zhuǎn)化為掩埋PN結(jié),在相同的N-摻雜濃度時,阻斷電壓還可進一步提高。
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