被忽略的細節：理解MOSFET額定電壓BVDSS

　　看到這個(gè)主題，可能有些工程師會(huì )問(wèn)：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容?細節決定技術(shù)，今天研究功率MOSFET數據表中BVDSS所隱藏的一些有意思的細節，來(lái)理解這個(gè)參數所設定的含義。

　　數據表中漏源擊穿電壓BVDSS通常定義為漏電流為250uA時(shí)漏極到源極的電壓，漏極到源極的漏電流表示為IDSS。數據表中標稱(chēng)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(shí)，所能施加的最大的額定電壓，測試的電路如圖1所示。關(guān)于雪崩擊穿問(wèn)題將在雪崩能量的相關(guān)章節專(zhuān)門(mén)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-體區形成的結通過(guò)金屬物短路，從而避免寄生三極管的意外導通。當柵極沒(méi)有加驅動(dòng)電壓時(shí)，功率MOSFET通過(guò)反向偏置的P-體區和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(lái)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-體區摻雜程度和N-的epi層差不多，也可以承受電壓。如果P-體區的厚度不夠，高摻雜太高，耗盡區可以由通孔達到N源極區，從而降低了擊穿電壓值。如果P-體區的厚度太大，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、epi摻雜和厚度以?xún)?yōu)化其性能。

　　在MOSFET數據表中標有測試條件，當測試條件不同時(shí)，結果會(huì )不同，如下圖所示，標出了5個(gè)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(shí)間進(jìn)行測試時(shí)，結果是可以重復的，這也是研發(fā)工程師編寫(xiě)測試結果和報告的時(shí)候，一個(gè)最基本的要求。

　　從表中看到區別了嗎?5個(gè)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(shí)候，一位非常有經(jīng)驗的采購工程師吳夏，也注意到這個(gè)問(wèn)題。那么，為什么會(huì )采用不同的測試條件?

　　測量BVDSS就是功率MOSFET的D、S加電壓時(shí)，從原理上相當于內部的寄生二極管工作在反向特性區，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(shí)，實(shí)際的性能會(huì )有較大的差異，也就是當改用更大的測試電流的時(shí)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(huì )采用不同的測量規范，那么這種方法會(huì )被認同嗎?

　　圖2：二極管反向特性區

　　漏源極擊穿電壓BVDSS有正溫度系數，溫度增加，BVDSS也增加。因為隨著(zhù)溫度的升高，晶格的熱振動(dòng)加劇，致使載流子運動(dòng)的平均自由路程縮短。因此，在與原子碰撞前由外加電場(chǎng)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(shí)，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(jìn)一步增強電場(chǎng)，才能達到要求的測試電流值。所以，表面上看起來(lái)，溫度增加，測量得到的耐壓也相應的提高。

　　溫度系數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(shí)ID的值有的用250uA，有的用1mA，同樣的，不同測試條件結果也會(huì )不一樣，那么大家認為測試時(shí)采用的IDSS越大還是越小，溫度系數越小呢?

　　BVDSS具有正的溫度系數，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(shí)候是芯片內部局部單元的過(guò)溫，導致局部的過(guò)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(shí)際應用中，應該基于系統最?lèi)毫訔l件下來(lái)考慮擊穿電壓。選擇漏源極電壓BVDSS的基本原則為：在實(shí)際工作環(huán)境中，在動(dòng)態(tài)的極端條件下，瞬態(tài)的電壓峰值不要超過(guò)MOSFET的額定值。有些客戶(hù)的要求，最大的峰值漏源極的電壓最多不大于器件規格書(shū)中標稱(chēng)漏源擊穿電壓的90%。有時(shí)候一些用戶(hù)會(huì )采用更低的、80%的降額要求。

　　另外，在測量MOSFET的DS的電壓時(shí)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(xiàn)接觸被測量位置的兩端，減小地線(xiàn)的環(huán)路，從而減小空間耦合的干擾信號。

　　(2)帶寬的問(wèn)題，測量輸出電壓紋波的時(shí)候，通常用20MHZ的帶寬，但是，測量MOSFET的VDS電壓時(shí)候，用多少帶寬才是正確的測量方法?事實(shí)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(shí)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(shí)間為2ns(10%~90%)，判斷一個(gè)高斯響應示波器在測量被測數字信號時(shí)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(shí)間。注意：示波器的系統帶寬由示波器帶寬和探頭帶寬共同決定。

　　高斯頻響的系統帶寬：(示波器帶寬2+探頭帶寬2)1/2/2

　　最大平坦頻響系統帶寬：min(示波器帶寬，探頭帶寬)