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隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，MOS管在電子行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，薩科微電子SLKOR作為能夠研發(fā)生產(chǎn)碳化硅SiC產(chǎn)品的“碳化硅專家”，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(yīng)晶體管。就是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。MOS管的構(gòu)造、原理、特性、符號規(guī)則和封裝種類等，大致如下。
1、MOS管的構(gòu)造：
MOS管的構(gòu)造是在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個高摻雜濃度的 N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（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(gòu)成了一個N溝道（NPN 型）增強(qiáng)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(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個P溝道（PNP型）增強(qiáng)型MOS管。圖1-1所示（a ）、（b）分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)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(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0 時，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)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，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，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，并形成一個電場，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并形成了一個從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT（一般約為2V）時，N溝道管開始導(dǎo)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(qiáng)弱，就可以達(dá)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(diǎn)，所以也稱之為場效應(yīng)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，由于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(chǎn)生電場從而導(dǎo)致源極-漏極電流的產(chǎn)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(jié)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(guī)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，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是 P溝道的MOS管。
實(shí)際在MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號的規(guī)則中，表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。圖1-4-（c）是P溝道MOS管的符號。MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負(fù)極，柵極G正電壓時導(dǎo)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晶體三極管，漏極D接負(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時，導(dǎo)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(dǎo)體（semiconductor）場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體（insulator） —半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩 端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。目前在市場應(yīng)用方面，排名第一的是消費(fèi)類電子電源適配器產(chǎn)品。而MOS管的應(yīng)用領(lǐng)域排名第二的是計算機(jī)主板、NB、計算機(jī)類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品，隨著國情的發(fā)展計算機(jī)主板、計算機(jī)類適配器、LCD顯示器對MOS管的需求有要超過消費(fèi)類電子電源適配器的現(xiàn)象了。第三的就屬網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子以及電力設(shè)備領(lǐng)域了，這些產(chǎn)品對于MOS管的需求也是很大的，特別是現(xiàn)在汽車電子對于MOS管的需求直追消費(fèi)類電子了。
下面對MOS失效的原因總結(jié)以下六點(diǎn)，然后對1，2重點(diǎn)進(jìn)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，并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。2：SOA失效（電流失效），既超出MOSFET安全工作區(qū)引起失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大，損耗過高器件長時間熱積累而導(dǎo)致的失效。3：體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。4：諧振失效：在并聯(lián)使用的過程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。5靜電失效：在秋冬季節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。6：柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效。雪崩失效分析（電壓失效）到底什么是雪崩失效呢，簡單來說MOSFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在MOSFET漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)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(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對我們電源板上的MOSFET進(jìn)行失效分析，大多數(shù)廠家都僅僅給一個EAS.EOS之類的結(jié)論，那么到底我們怎么區(qū)分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過雪崩測試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對比從而確定是否是雪崩失效。雪崩失效的預(yù)防措施雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效，因此預(yù)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(yè)內(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)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(shè)計。4：大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu)，盡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(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。
SOA失效（電流失效）再簡單說下第二點(diǎn)，SOA失效SOA失效是指電源在運(yùn)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(fā)熱而導(dǎo)致的破壞模式。或者是芯片與散熱器及封裝不能及時達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。關(guān)于SOA各個線的參數(shù)限定值可以參考下面圖片。
1：受限于最大額定電流及脈沖電流2：限于最大節(jié)溫下的RDSON。3：受限于器件最大的耗散功率。4：受限于最大單個脈沖電流。5：擊穿電壓BVDSS限制區(qū)我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)，就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導(dǎo)致的電源失效問題的產(chǎn)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(nèi)。2：將OCP功能一定要做精確細(xì)致。在進(jìn)行OCP點(diǎn)設(shè)計時，一般可能會取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗(yàn)的人會將檢測延遲時間、CISS對OCP實(shí)際的影響考慮在內(nèi)。但是此時有個更值得關(guān)注的參數(shù)，那就是MOSFET的Td（off）。它到底有什么影響呢，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(diǎn)后又有一段的上升時間，這段時間其本質(zhì)就是IC在檢測到過流信號執(zhí)行關(guān)斷后，MOSFET本身也開始執(zhí)行關(guān)斷，但是由于器件本身的關(guān)斷延遲，因此電流會有個二次上升平臺，如果二次上升平臺過大，那么在變壓器余量設(shè)計不足時，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個失效。3：合理的熱設(shè)計余量，這個就不多說了，各個企業(yè)都有自己的降額規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行就可以了，不行就加散熱器。
在使用MOS管設(shè)計開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導(dǎo)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，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計也是不允許的。
1、MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被**成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(yīng)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(shè)計開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導(dǎo)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，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計也是不允許的。
1、MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被**成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，*。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
