被忽略的細(xì)節(jié)：理解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?這里面還有什么被忽略的內(nèi)容?細(xì)節(jié)決定技術(shù)，今天研究功率MOSFET數(shù)據(jù)表中BVDSS所隱藏的一些有意思的細(xì)節(jié)，來理解這個參數(shù)所設(shè)定的含義。

　　數(shù)據(jù)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IDSS。數(shù)據(jù)表中標(biāo)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(fā)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(guān)于雪崩擊穿問題將在雪崩能量的相關(guān)章節(jié)專門的討論。

　　圖1：BVDSS測試電路

　　功率MOSFET的耐壓由結(jié)構(gòu)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(qū)形成的結(jié)通過金屬物短路，從而避免寄生三極管的意外導(dǎo)通。當(dāng)柵極沒有加驅(qū)動電壓時，功率MOSFET通過反向偏置的P-體區(qū)和N-的epi層形成的PN結(jié)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(dǎo)通電阻。

　　在低壓器件中，P-體區(qū)摻雜程度和N-的epi層差不多，也可以承受電壓。如果P-體區(qū)的厚度不夠，高摻雜太高，耗盡區(qū)可以由通孔達(dá)到N源極區(qū)，從而降低了擊穿電壓值。如果P-體區(qū)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(xì)的設(shè)計P-體區(qū)、epi摻雜和厚度以優(yōu)化其性能。

　　在MOSFET數(shù)據(jù)表中標(biāo)有測試條件，當(dāng)測試條件不同時，結(jié)果會不同，如下圖所示，標(biāo)出了5個不同的產(chǎn)品的測試條件。標(biāo)明測試條件的原因在于，當(dāng)不同的操作者在不同的時間進(jìn)行測試時，結(jié)果是可以重復(fù)的，這也是研發(fā)工程師編寫測試結(jié)果和報告的時候，一個最基本的要求。

　　從表中看到區(qū)別了嗎?5個不同的產(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候，一位非常有經(jīng)驗的采購工程師吳夏，也注意到這個問題。那么，為什么會采用不同的測試條件?

　　測量BVDSS就是功率MOSFET的D、S加電壓時，從原理上相當(dāng)于內(nèi)部的寄生二極管工作在反向特性區(qū)，如圖所示，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)時，實際的性能會有較大的差異，也就是當(dāng)改用更大的測試電流的時候，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采用不同的測量規(guī)范，那么這種方法會被認(rèn)同嗎?

　　圖2：二極管反向特性區(qū)

　　漏源極擊穿電壓BVDSS有正溫度系數(shù)，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(fā)生碰撞電離的可能性也相應(yīng)減小。MOSFET耐壓的測量基于一定的漏極電流，溫度升高時，為了達(dá)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，才能達(dá)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(yīng)的提高。

　　溫度系數(shù)不同公司的標(biāo)注方法也不同，如下圖所示，有些公司直接在表格中列出數(shù)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(jié)果也會不一樣，那么大家認(rèn)為測試時采用的IDSS越大還是越小，溫度系數(shù)越小呢?

　　BVDSS具有正的溫度系數(shù)，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，更多時候是芯片內(nèi)部局部單元的過溫，導(dǎo)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(fā)生單元的熱和電流不平衡，從而導(dǎo)致?lián)p壞。

　　在實際應(yīng)用中，應(yīng)該基于系統(tǒng)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(huán)境中，在動態(tài)的極端條件下，瞬態(tài)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于器件規(guī)格書中標(biāo)稱漏源擊穿電壓的90%。有時候一些用戶會采用更低的、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(huán)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：

　?、俅_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%;

　?、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間為2ns(10%~90%)，判斷一個高斯響應(yīng)示波器在測量被測數(shù)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(tǒng)帶寬由示波器帶寬和探頭帶寬共同決定。

　　高斯頻響的系統(tǒng)帶寬：(示波器帶寬2+探頭帶寬2)1/2/2

　　最大平坦頻響系統(tǒng)帶寬：min(示波器帶寬，探頭帶寬)