功率mosfet應用與解析（5）--易忽略的MOSFET額定電壓BVDSS

看到這個主題，可能有些工程師會問：多少伏的功率MOSFET，耐壓BVDSS不就是多少伏嗎

？這裡面還有什麼被忽略的內容？細節決定技術，今天研究功率MOSFET數據表中BVDSS所隱藏的一些有意思的細節，來理解這個參數所設定的含義。

數據表中漏源擊穿電壓BVDSS通常定義為漏電流為250uA時漏極到源極的電壓，漏極到源極的漏電流表示為I_DSS。數據表中標稱BVDSS電壓是在柵極和源極S短路、25℃的工作溫度、漏極和源極不發生雪崩擊穿時，所能施加的最大的額定電壓，測試的電路如圖1所示。關於雪崩擊穿問題將在雪崩能量的相關章節專門的討論。

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-體區形成的結通過金屬物短路，從而避免寄生三極管的意外導通。當柵極沒有加驅動電壓時，功率MOSFET通過反向偏置的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摻雜和厚度以優化其性能。

具體結構可參考文獻：功率MOSFET基礎

在MOSFET數據表中標有測試條件，當測試條件不同時，結果會不同，如下圖所示，標出了5個不同的產品的測試條件。標明測試條件的原因在於，當不同的操作者在不同的時間進行測試時，結果是可以重複的，這也是研發工程師編寫測試結果和報告的時候，一個最基本的要求。

從表中看到區別了嗎？5個不同的產品，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候，一位非常有經驗的採購工程師吳夏，也注意到這個問題。那麼，為什麼會採用不同的測試條件？

測量BVDSS就是功率MOSFET的D、S加電壓時，從原理上相當於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，實際的性能會有較大的差異，也就是當改用更大的測試電流的時候，所得到的名義電壓更高，到這裡大家明白了為什麼有些公司會採用不同的測量規範，那麼這種方法會被認同嗎？

圖2：二極管反向特性區

漏源極擊穿電壓BVDSS有正溫度係數，溫度增加，BVDSS也增加。因為隨著溫度的升高，晶格的熱振動加劇，致使載流子運動的平均自由路程縮短。因此，在與原子碰撞前由外加電場加速獲得的能量減小，發生碰撞電離的可能性也相應減小。MOSFET耐壓的測量基於一定的漏極電流，溫度升高時，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，進一步增強電場，才能達到要求的測試電流值。所以，表面上看起來，溫度增加，測量得到的耐壓也相應的提高。

溫度係數不同公司的標註方法也不同，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ID的值有的用250uA，有的用1mA，同樣的，不同測試條件結果也會不一樣，那麼大家認為測試時採用的IDSS越大還是越小，溫度係數越小呢？

BVDSS具有正的溫度係數，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？由於MOSFET損壞的最終原因是溫度，更多時候是芯片內部局部單元的過溫，導致局部的過熱損壞，在芯片整體溫度提高的條件下，MOSFET更容易發生單元的熱和電流不平衡，從而導致損壞。

在實際應用中，應該基於系統最惡劣條件下來考慮擊穿電壓。選擇漏源極電壓BVDSS的基本原則為：在實際工作環境中，在動態的極端條件下，瞬態的電壓峰值不要超過MOSFET的額定值。有些客戶的要求，最大的峰值漏源極的電壓最多不大於器件規格書中標稱漏源擊穿電壓的90%。有時候一些用戶會採用更低的、80%的降額要求。

另外，在測量MOSFET的DS的電壓時候，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接觸被測量位置的兩端，減小地線的環路，從而減小空間耦合的干擾信號。

（2）帶寬的問題，測量輸出電壓紋波的時候，通常用20MHZ的帶寬，但是，測量MOSFET的VDS電壓時候，用多少帶寬才是正確的測量方法？事實上，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：

①確定被測量信號的最快上升Tr和下降時間Tf；

②計算最高的信號頻率：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%；

③確定所需的測量精確度，然後計算所需的帶寬。

所需精確度

高斯頻響

最大平坦頻響

20%

BW=1.0*f

BW=1.0*f

10%

BW=1.3*f

BW=1.2*f

3%

BW=1.9*f

BW=1.4*f

例如：在波形中，被測量信號最快的下降時間為2ns（10%~90%），判斷一個高斯響應示波器在測量被測數字信號時所需的最小帶寬：

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)