功率MOSFET 简介

功率MOSFET也叫功率MOS，我理解是这样一种MOSFET器件——为开关方式工作而设计，以导通和切断大的漏极电流为特征。开关方式的意思是其工作点在线性区（开）和截止区（关）之间转移，转移期间快速掠过饱和区。至于电流多大算大，并没有明确规定。我的做法是根据封装尺寸来估计。比如 SOT-23 封装如果处理100mA以上的电流，就算大电流。

功率MOSFET有两个重要的外特性：

第一，它类似一个机械开关或者机械继电器。它导通时的电阻可以低于1个毫欧，截止时的漏电流又可以低于100nA。因为功率MOSFET完全由半导体材料制造，内部没有继电器和开关那样的导电臂、触点、弹簧和保持线圈，所以功率MOSFET也被称为固态（Solid State）开关和固态继电器。

第二，和机械开关、机械继电器相比，功率MOSFET工作速度快。功率MOSFET的芯片/晶胞有特殊设计的结构：和普通MOSFET相比，其放大区较窄，这样允许其工作点在截止区和线性区之间更快地度越，所以其动作速度/频率远超机械元件。

基于这两个特点，功率MOSFET在三个领域有广泛应用：

1. 开关电源（SMPS, Switching Mode Power Supply）。

2. 电动机驱动（Torque Motor Driving）。交替地、重复地切断和接通电感线圈的电流，利用电能和磁能的相互转换，通过特殊设计的电动机结构，把电能转换为机械运动的动能，或者反过来把动能转化为电能。这个方面据说支配了人类总发电量的40~60%。

3. 继电保护。除了前面提到的固态继电器，还出现了固态保险丝（eFuse）器件。

针对不同的用途，功率MOSFET也发展出不同的内部结构来不断适应。在低压应用中（20~200V），SGT（Seperated Gate Trench，分离栅沟槽型）结构是主力；高压应用中（500~1200V），SuperJunction（超级结）结构优势突出。

根据衬底材料不同，功率MOSFET可以分为2类——硅基，碳化硅（Silicon Carbide），分别称为功率MOS和碳化硅MOS。

功率MOSFET 栅极阈值电压Vgs-th

栅极阈值电压是功率MOSFET器件的静态参数之一，简称为 Vgs-th，其中gs表示从Gate到Source，th表示threshold。

对于增强型MOSFET，可以用下图来说明 Vgs 的作用。短接D极和S极，调节G极对S极的电压 Vgs。当Vgs较低时，栅极附近因为存在耗尽层，不能形成导电通道，见下图（a）。如果逐渐增大Vgs，正电荷推挤衬底内的空穴，吸引自由电子，就会形成导电沟道（Channel）。继续增大Vgs，沟道会变宽，意味着更低的电阻，更好的导电性，见下图（b）。继续增大Vgs，沟道的宽度继续增加但趋于极限，不再显著加宽。此时如果仍然增大Vgs，栅极和衬底之间的绝缘介质就会发生雪崩击穿，器件很可能永久性损坏。

（图来自 童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2006）

Vgs-th 是MOSFET截止区和饱和区的分界线。电压低于Vgs-th时，MOSFET关断；超过Vgs-th时，MOSFET开始接通。

感性负载开关应用中有危险的感应导通现象。对感性负载开关类应用，比如开关电源和电机驱动，功率MOSFE的漏极与电感器、变压器线圈连接。当功率MOSFET截止切断电感电流时，电感会产生脉冲形式的感应电压叠加在电源电压之上。该电压的高频分量会通过结电容Cdg或Crss，施加到栅极（也可以从功率MOSFET内等效三极管的模型解释），如果电压高于Vgs-th，那么功率MOSFET将离开截止区，进入饱和区。饱和区的等效Rds-on较大，导通功耗也大，容易导致功率MOSFET功率EOS失效，即所谓“炸管”。

另外，将多个MOSFET并联使用时，有必要挑选那些Vgs-th相近的组成一组，避免在栅极电压变化的过程中，有的先开通或者先关闭，形成电流/功耗集中而导致失效。

功率MOSFET栅极阈值电压测量方法和标准