詳解mos管原理及幾種常見失效分析

　　mos管是金屬（metal）—氧化物（oxide）—半導(dǎo)體（semiconductor）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體（insulator）—半導(dǎo)體。mos管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

　　mos管—工作原理

　　mos管的工作原理（以N溝道增強(qiáng)型mos場(chǎng)效應(yīng)管）它是利用VGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。在制造管子時(shí)，通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時(shí)，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

　　mos管—N型/P型

　　mosFET可以分成增強(qiáng)型和耗盡型，每一種又可以分成N溝道和P溝道。

　　不過現(xiàn)實(shí)中，耗盡型的類型很少，而P溝道也比較少，最多的就是N溝道增強(qiáng)型mosFET，也就是增強(qiáng)型N-mosFET。

　　大部分mos管的外觀極其類似，常見的封裝種類有TO252，TO220，TO92，TO3，TO247等等，但具體的型號(hào)有成千上萬種，因此光從外觀是無法區(qū)分的。對(duì)于不熟悉型號(hào)，經(jīng)驗(yàn)又比較少的人來說，比較好的方法就是查器件的datasheet（pdf格式，一般是英文），里面會(huì)詳細(xì)告訴你，它的類型和具體參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于你設(shè)計(jì)電路極有用。

　　我們區(qū)分類型，一般就是看型號(hào)，比如IRF530，IRF540，IRF3205，IRPF250等這些都是很常見的增強(qiáng)型N-mosFET，而對(duì)應(yīng)的IRF9530，IRF9540就是增強(qiáng)型P-mosFET，耗盡型的兩種，我至今還沒在實(shí)際電路中看到過具體的器件。

　　結(jié)型管（J-FET）與mosFET并不互相包含，反而是并列關(guān)系，這兩種是場(chǎng)效應(yīng)管的兩種類型，而JFET也可以分成N-JFET和P-JFET兩種，像2SK117，2SK596都是常見的N-JFET型號(hào)，不過P-JFET的具體型號(hào)我還沒見過，一般都融入了集成電路設(shè)計(jì)（IC設(shè)計(jì)）中。　　

　　無論N型或者P型mos管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。mos管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。mos管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì)發(fā)生像三極管做開關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，因此在開關(guān)應(yīng)用中，mos管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。

　　Nmos的特性：Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到一定電壓（如4V或10V， 其他電壓，看手冊(cè)）就可以了。

　　Pmos的特性：Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然Pmos可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用Nmos。

　　mos管—失效的6大原因

　　mos管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

　　目前在市場(chǎng)應(yīng)用方面，排名第一的是消費(fèi)類電子電源適配器產(chǎn)品。而mos管的應(yīng)用領(lǐng)域排名第二的是計(jì)算機(jī)主板、NB、計(jì)算機(jī)類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品，隨著國(guó)情的發(fā)展計(jì)算機(jī)主板、計(jì)算機(jī)類適配器、LCD顯示器對(duì)mos管的需求有要超過消費(fèi)類電子電源適配器的現(xiàn)象了。

　　第三的就屬網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子以及電力設(shè)備領(lǐng)域了，這些產(chǎn)品對(duì)于mos管的需求也是很大的，特別是現(xiàn)在汽車電子對(duì)于mos管的需求直追消費(fèi)類電子了。

　　下面對(duì)mos失效的原因總結(jié)以下六點(diǎn)，然后對(duì)1，2重點(diǎn)進(jìn)行分析：

　　1：雪崩失效（電壓失效），也就是我們常說的漏源間的BVdss電壓超過mosFET的額定電壓，并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致mosFET失效。

　　2：SOA失效（電流失效），既超出mosFET安全工作區(qū)引起失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大，損耗過高器件長(zhǎng)時(shí)間熱積累而導(dǎo)致的失效。

　　3：體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。

　　4：諧振失效：在并聯(lián)使用的過程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。

　　5：靜電失效：在秋冬季節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。

　　6：柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效。

　　雪崩失效分析（電壓失效）

　　到底什么是雪崩失效呢，簡(jiǎn)單來說mosFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在mosFET漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡(jiǎn)而言之就是由于就是mosFET漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見的失效模式。

　　下面的圖片為雪崩測(cè)試的等效原理圖，做為電源工程師可以簡(jiǎn)單了解下。

　　可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對(duì)我們電源板上的mosFET進(jìn)行失效分析，大多數(shù)廠家都僅僅給一個(gè)EAS.EOS之類的結(jié)論，那么到底我們?cè)趺磪^(qū)分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過雪崩測(cè)試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對(duì)比從而確定是否是雪崩失效。

　　雪崩失效的預(yù)防措施

　　雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效，因此預(yù)防我們著重從電壓來考慮。具體可以參考以下的方式來處理。

　　1：合理降額使用，目前行業(yè)內(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行選取。

　　2：合理的變壓器反射電壓。

　　3：合理的RCD及TVS吸收電路設(shè)計(jì)。

　　4：大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu)，盡量減少布線寄生電感。

　　5：選擇合理的柵極電阻Rg。

　　6：在大功率電源中，可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

　　SOA失效（電流失效）

　　再簡(jiǎn)單說下第二點(diǎn)，SOA失效

　　SOA失效是指電源在運(yùn)行時(shí)異常的大電流和電壓同時(shí)疊加在mosFET上面，造成瞬時(shí)局部發(fā)熱而導(dǎo)致的破壞模式?；蛘呤切酒c散熱器及封裝不能及時(shí)達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。

　　關(guān)于SOA各個(gè)線的參數(shù)限定值可以參考下面圖片。

　　1：受限于最大額定電流及脈沖電流

　　2：受限于最大節(jié)溫下的RDSON。

　　3：受限于器件最大的耗散功率。

　　4：受限于最大單個(gè)脈沖電流。

　　5：擊穿電壓BVDSS限制區(qū)

　　我們電源上的mosFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)，就能有效的規(guī)避由于mosFET而導(dǎo)致的電源失效問題的產(chǎn)生。

　　這個(gè)是一個(gè)非典型的SOA導(dǎo)致失效的一個(gè)解刨圖，由于去過鋁，可能看起來不那么直接，參考下。

　　SOA失效的預(yù)防措施：

　　1：確保在最差條件下，mosFET的所有功率限制條件均在SOA限制線以內(nèi)。

　　2：將OCP功能一定要做精確細(xì)致。

　　在進(jìn)行OCP點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一般可能會(huì)取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗(yàn)的人會(huì)將檢測(cè)延遲時(shí)間、CISS對(duì)OCP實(shí)際的影響考慮在內(nèi)。但是此時(shí)有個(gè)更值得關(guān)注的參數(shù)，那就是mosFET的Td（off）。它到底有什么影響呢，我們看下面FLYBACK電流波形圖（圖形不是太清楚，十分抱歉，建議雙擊放大觀看）。

　　從圖中可以看出，電流波形在快到電流尖峰時(shí)，有個(gè)下跌，這個(gè)下跌點(diǎn)后又有一段的上升時(shí)間，這段時(shí)間其本質(zhì)就是IC在檢測(cè)到過流信號(hào)執(zhí)行關(guān)斷后，mosFET本身也開始執(zhí)行關(guān)斷，但是由于器件本身的關(guān)斷延遲，因此電流會(huì)有個(gè)二次上升平臺(tái)，如果二次上升平臺(tái)過大，那么在變壓器余量設(shè)計(jì)不足時(shí)，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個(gè)電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個(gè)失效。

　　3：合理的熱設(shè)計(jì)余量，這個(gè)就不多說了，各個(gè)企業(yè)都有自己的降額規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行就可以了，不行就加散熱器。