MOSFET器件的分类及Spice和Saber模型

最近几年，以MOSFET和IGBT为代表的功率晶体管越来越受重视，因为功率半导体器件对实现电能的高效产生、传输、转换、存储和控制作用巨大，是实现节能减排、绿色制造的关键。

MOSFET是电子行业高频高效开关领域的关键组件，这种场效应晶体管发明于1930年，比双极晶体管要早大约20年，而功率MOSFET则诞生于70年代中期。如今，MOSFET渗透进到了我们生活的方方面面，广泛应用于家电、汽车、电子电器，以及光伏、风电、轨道交通等工业领域。

1. MOSFET技术

从根本上说，MOSFET晶体管和双极晶体管的工作原理相同，都是电荷控制器件，其输出电流与控制电极在半导体中形成的电荷成比例。将这些器件用作开关时，都必须由能够提供足够灌入和拉出电流的低阻抗源来驱动，以实现控制电荷的快速嵌入和脱出。从这一点来看，在开关期间，MOSFET必须以类似于双极晶体管的形式进行“硬”驱动，以实现可媲美的开关速度。从理论上来说，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输所需的时间。功率器件的典型值大约为20-200皮秒，具体取决于器件大小。

MOSFET技术在数字和功率应用领域的普及得益于 它与双极结晶体管相比所具有的两个主要优势。其中一个优势是，MOSFET器件在高频开关应用中使用 应用非常重要。MOSFET晶体管更加容易驱动，因为其控制电极与导电器件隔离，所以不需要连续的导通电流。一旦MOSFET晶体管开通，它的驱动电流几乎为零。而且，控制电荷大量减少，MOSFET晶体管的存储时间也相应大幅减少。这基本上消除了导通压降和关断时间之间的设计权衡问题，而开通状态压降与控制电荷成反比。因此，与双极器件相比，MOSFET技术预示着使用更简单且更高效的驱动电路带来显著的经济效益。

此外，需要特别强调突出的是，在电源应用中，MOSFET具有电阻的性质。MOSFET漏源端上的压降是流入半导体的电流的线性函数。此线性关系用MOSFET的RDS(on)来表征，也称为导通电阻。导通电阻对指定栅源极电压和器件温度来说是恒定的。与p-n结-2.2mV/°C的温度系数不同，MOSFET的温度系数为正值，约为0.7%/°C至1%/°C。正因为MOSFET具有此正温度系数，所以当使用单个器件不现实或不可能时，它便是高功率应用中并行运行的理想之选。由于通道电阻具有正温度系数，因此多个并联MOSFET会均匀地分配电流。在多个MOSFET上会自动实现电流共享，因为正温度系数的作用相当于一种缓慢的负反馈系统。

载流更大的器件会产生更多热量 - 请别忘了漏源电压是相等的 – 并且温度升高会增加其RDS(on)值。增加电阻会导致电流减小，从而降低温度。最终，当并联器件所承载的电流大小相近时，便达到平衡状态。RDS(on)值和不同结至环境热阻的初始容差可导致电流分布出现高达30%的重大误差。

2. MOSFET器件的分类

几乎所有制造商对于制造出色的功率MOSFET都有自己独特的方法，不过市场上的所有器件可分为三种基本类型。

（a）双扩散MOS晶体管于20世纪70年代开始应用于电源 应用领域， 并在过去这些年间不断演进。使用多晶硅栅极结构和自校准流程，可提高集成密度并迅速减小电容。

（b）第二次重大改进来自于V型坡口或沟道技术，从而进一步提高了功率MOSFET器件的单元密度。提高性能和集成密度并不容易；然而，沟道MOS器件的制造流程更困难。

（c）横向功率MOSFET显著减小了电容，所以开关速度大幅提高，所需的栅极驱动功率要低得多。

3. MOSFET模型

文中提供了多种模型来说明MOSFET的工作原理，不过，找到合适的说明可能并不容易。大多数MOSFET制造商为其器件提供Spice和/或Saber模型，但这些模型对于设计人员在实践中遇到的应用陷阱却鲜有提及。甚至对于如何解决最常见的设计难题，它们所提供的线索也很少。

实用的MOSFET模型需要从应用角度描述器件的所有重要属性，因此非常复杂。另一方面，如果我们将模型的适用性局限于特定问题领域，可由MOSFET晶体管得出一些简单且有意义的模型：

（a）基于MOSFET器件的实际结构，主要可用于直流分析。MOSFET符号表示通道电阻，而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，同时高电压MOSFET需要的外延层更厚。

（b）用以模拟MOSFET由dv/dt导致的击穿特性。作为栅极端阻抗函数，它展示了两种主要击穿机制，也就是dv/dt引起所有功率MOSFET中的寄生双极晶体管的开通，以及dv/dt引起沟道的开通。由于制造工艺的改进，现代功率MOSFET实际上几乎不受寄生NPN晶体管的dv/dt触发事件的影响，从而减小了基极和发射极区域的电阻。还必须提到的是，寄生双极晶体管还具有另一个重要角色。它的基极 - 集电极结是有名的MOSFET体二极管。

（c）MOSFET的开关模型。此模型显示了影响开关性能的最重要的寄生器件。

目前，新能源汽车的高速增长是功率半导体市场的主要动能，另一个即将爆炸性增长的应用市场是工业物联网，这将持续不断的为MOSFET、IGBT、快恢复二极管（FRD）、VDMOS、可控硅（SCR）、大功率晶闸管（GTO）等功率半导体公司提供更多市场增长机会。