★★★ MOS-1---MOS的寄生模型 ★★★

引言：MOSFET是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor）的縮寫，具有高速和低損耗的特性，廣泛應用于各種領域。和普通的阻容一樣，MOS也有其寄生模型，了解其等效寄生模型有助于我們在高速應用中快速掌握其特性。

€1.基本模型

圖1-1：NMOS和PMOS實際寄生模型

MOSFET與雙極功率晶體管相比，其開關速度更快（雙極晶體管以電子和空穴為載流子施加電流，但MOSFET只允許電流與電子載流子一起流動，從而實現高速開關操作），損耗更低。圖1-1示出了NMOS和PMOS增強型（本系列后續都以增強型N/P-MOS為主）的等效電路，以及一般常用導通時的電流流向。注意這個導通流向不是唯一的，主要是看源極和漏極之間的電位，漏極電位高于源極，電流D到S。源極電位高于漏極，電流S到D。

€2.靜態參數

我們將MOS的參數歸為兩類，靜態參數和動態參數，當用于低頻率場合，諸如負載開關，器件驅動等時，只需要關注靜態參數，當用于高頻場合，諸如外驅功率MOS，電平轉換，小信號處理時，在靜態參數之外還需要關注其動態參數。

靜態參數：

VDSS：當柵極和源極導通時，可施加在漏極和源極之間的最大電壓

VGSS：當漏極和源極導通時，可在柵極和源極之間施加的最大電壓

ID：漏極端子的最大允許電流

ID(pulse)：脈沖操作期間漏極端子的最大允許電流

IDR：寄生二極管的最大允許電流

Pch：漏極和源極之間的最大允許功率損耗

VBRDSS：漏源擊穿電壓，通過將柵極與源極短路，實現特定漏極電流的漏極與源極電壓

VGSTH：柵極-源極閾值電壓

VGS（th）：柵極-源極閾值電壓

IDSS：漏極漏電流，通過將柵極與源極短路，在漏極和源極之間施加規定電壓時的漏極電流

IGSS：柵極漏電流，通過使漏極與源極短路在柵極和源極之間施加規定電壓時的柵極電流

VGS(OFF)：當施加指定的漏極到源極電壓時，用于指定漏極電流的柵極到源極的電壓

RDSON：漏源導通電阻，當施加指定的柵極到源極電壓時，指定漏極電流的漏極到源極電阻

RG：柵極寄生電阻

VGS（th）對于確定MOSFET的導通狀態和截止狀態很重要。VGS（th）被定義為VDS＝VGS，盡管它有時被引用為固定的VDS（例如10V）。請注意，對于源極和漏極短路在一起的特定電流，閾值電壓的定義可能與教科書中的例子不同。教科書中的參數描述了MOSFET物理狀態的變化，并且與MOSFET芯片尺寸無關。RDSON不是一個固定值，它隨VGS的大小而變化，圖1-2表示了這種關系，VGS越大，MOS的溝道開啟的越多，等效的RDSON越小，開關損耗也越小，這一點在應用MOS時非常重要。另外VGSTH值只是一個門檻值，表明MOS的溝道已經打開，但卻不表明已經是完全打開的程度，所以一般外施加的VGS一定要大于VGS（th），取1.5×VGS（th），需要考慮到VGS的波動。

圖1-2：VGS與RDSON之間的關系曲線

€3.動態參數

Qgd：柵極-漏極電荷，電壓與柵極和漏極之間的鏡像效應導致電荷增加

Qgs：柵極-源極電荷，將柵極-源極電壓增加到閾值電壓所需的電荷

Qg：柵極總電荷，在柵極和源極之間施加規定電壓所需的電荷

Ciss：輸入電容，Ciss = CGS + CGD

Coss：輸出電容，Coss = CDS + CGD

Crss：反向轉移電容，Crss = CGD

td(on)：導通延時

tr：上升時間

td(off)：關斷延時

VSD：體二極管的源漏電壓

€4.動態過程

QG（tot）、QGS和QGD都是來自同一柵極電荷曲線的參數。它們描述了在特定條件下，MOSFET需要多少柵極電荷才能切換。這在高頻開關應用中尤其重要。當漏極、柵極和源極之間同時發生顯著的電壓和電流變化時，大部分功率損耗發生在開關期間。在全關閉狀態下，存在顯著的電壓，但電流可以忽略不計。在全導通狀態下，存在顯著的電流和較小的電壓。

柵極電荷參數取決于閾值電壓和開關動態以及正在被開關的負載，但電阻負載和電感負載之間存在差異。柵極電荷曲線示例如圖1-3所示：

圖1-3：QGS的充電如何影響ID，VD，VG

由于電容隨電壓和電流的變化，在確定開關性能時，最好查看柵極電荷數據，而不是電容數據。如果MOSFET的柵極驅動器電路被限制在特定電流，并且需要快速開關，則情況尤其如此。柵極電荷曲線描述了MOSFET的情況，該MOSFET的漏極被限制在特定的電流和電壓。

在此期間，漏極-源極電壓開始下降，因為MOSFET上增加的電荷允許更容易的傳導。因此，盡管柵極-源極電壓是恒定的，但是漏極-柵極電壓正在下降。最終，電容停止增加，柵極電荷的任何進一步增加都會增加柵極-源極電壓。這種特性有時被稱為“米勒平臺”，因為它指的是所謂的米勒電容增加的時間。米勒平臺也被稱為柵極-漏極電荷（QGD）。在此期間，漏極和源極之間存在顯著的電流和電壓，因此QGD在確定開關損耗時很重要。

一旦達到米勒平臺的末端，柵極-源極電壓再次增加，但具有比達到QGS之前更大的電容。柵極電荷曲線的梯度在米勒平臺之上較小。柵極電荷參數高度依賴于測量條件，不同的供應商經常針對不同的條件呈現其柵極電荷參數，在比較不同來源的柵極電荷參數時要求謹慎。較高的電流導致較高的柵極-源極電荷值，因為平臺電壓也較高。隨著平臺的增加，更高的漏極-源極電壓導致柵極-漏極電荷和總柵極電荷的值更高。柵極電荷切換期間的漏極-源極電流和電壓如圖1-3所示。

如果MOSFET開始處于關斷狀態（VGS＝0V），則柵極上電荷的增加最初導致柵極-源極電壓的增加。在該過程中，在源極和漏極之間提供恒定電壓（VDS）。

當柵-源電壓達到該漏-源電壓下的極限電流的閾值電壓時，MOSFET的電容增加，柵極電壓保持恒定。這被稱為平臺電壓，起始電荷被稱為QGS。電流越高，平臺電壓就越高（見 圖1-4 ）。這與傳遞特性有關，柵極上的電壓越高，施加的電荷就越多，（Q=C×V），因此使MOSFET更容易導通。

圖1-4：柵極電荷曲線的特點（Plateau：穩定期）

柵極電荷曲線中電荷、電壓和電容之間的關系為：ΔQ=ΔC xΔV。對于不同柵極電壓下的電荷QG的不同梯度，電容隨著柵極-源極電壓的變化而顯著變化。