mosfet器件选型需掌握的3大法则及知识理解与应用详解

mosfet器件概述

mosfet器件，金属-氧化物半导体场(chang)效应晶(jing)(jing)体管(guan)，简称金氧半场(chang)效晶(jing)(jing)体管(guan)。是一种可以广泛使用在模拟(ni)电路(lu)与数字电路(lu)的场(chang)效晶(jing)(jing)体管(guan)（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道(dao)”（工作(zuo)载流子(zi)）的极性不同(tong)，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常(chang)又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称上包括NMOS、PMOS等。

mosfet器件的结构

M-Metal-导(dao)(dao)体(ti)(ti)，O-Oxide-氧化物(wu)（绝缘体(ti)(ti)），S-Semiconductor-半导(dao)(dao)体(ti)(ti)，F-Field，E-Effect，T-Transistor -场效应晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)。前三个(ge)字母反应了它(ta)的结构，MOSFET就是由导(dao)(dao)体(ti)(ti)-氧化物(wu)-半导(dao)(dao)体(ti)(ti)三层结构组成的器件(jian)，而(er)后三个(ge)字母则反应了他(ta)的工作(zuo)特性，它(ta)是一个(ge)感应电压的晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)。

图(tu)1 MOSFET的结构

第一(yi)眼看到图1会感觉有些复杂(za)，没关系不要紧，我们从简单的(de)一(yi)点点来分析，首(shou)先看图2，这(zhei)是一(yi)个(ge)简单的(de)我们假(jia)想(xiang)的(de)半(ban)(ban)(ban)导(dao)体器(qi)件(jian)(jian)，虽然是假(jia)想(xiang)的(de)，但是不妨碍我们对其原理进(jin)行理解。这(zhei)个(ge)我们意淫(yin)的(de)器(qi)件(jian)(jian)同样是由导(dao)体、绝缘体、半(ban)(ban)(ban)导(dao)体三层结构组成，这(zhei)个(ge)半(ban)(ban)(ban)导(dao)体是P型(xing)掺杂(za)的(de)还是N型(xing)掺杂(za)的(de)我们先不管，这(zhei)里我们以P型(xing)掺杂(za)的(de)半(ban)(ban)(ban)导(dao)体为例(li)。

图2 一个简单的假想的半导体器件(jian)

图3左(zuo)图，如果我们(men)在(zai)导(dao)体和(he)半导(dao)体两端(duan)加电(dian)(dian)压V1，因为有(you)(you)绝缘体在(zai)中(zhong)(zhong)间整个(ge)器(qi)件(jian)没有(you)(you)电(dian)(dian)流(liu)通(tong)过，但(dan)此时你有(you)(you)没有(you)(you)发现这个(ge)器(qi)件(jian)就(jiu)是一(yi)个(ge)电(dian)(dian)容(rong)，导(dao)体和(he)电(dian)(dian)源正极(ji)相连(lian)(lian)带正电(dian)(dian)荷(he)，P型掺杂的(de)(de)半导(dao)体本来能用来导(dao)电(dian)(dian)的(de)(de)自(zi)由电(dian)(dian)子(zi)很(hen)少，但(dan)由于和(he)电(dian)(dian)源负极(ji)相连(lian)(lian)，自(zi)由电(dian)(dian)子(zi)都聚集到和(he)绝缘体相接的(de)(de)表(biao)面。这个(ge)自(zi)由电(dian)(dian)荷(he)聚集的(de)(de)区域我们(men)称为沟道(dao)，此时，沟道(dao)中(zhong)(zhong)没有(you)(you)电(dian)(dian)流(liu)，只有(you)(you)电(dian)(dian)荷(he)，其电(dian)(dian)荷(he)数量为。

图3 加电压

这里的V就是V1，C就是导体和半导体形成的电容，知道了这个原理，我们可以得到下面两点初步的认识：

①当V1变(bian)大(da)，电荷(he)数量Q变(bian)大(da)，沟道中自(zi)由电荷(he)的密(mi)度增大(da)；

②当绝缘体的厚度t_ox下(xia)降(jiang)，则电容C变(bian)大，电荷数量变(bian)大，沟道(dao)中自由电荷的密度增大。

看图3右图，当(dang)在(zai)(zai)沟(gou)道(dao)的(de)(de)两端加(jia)电(dian)压V2，因为沟(gou)道(dao)中本身(shen)存在(zai)(zai)可以自由移动的(de)(de)电(dian)子(zi)，此时在(zai)(zai)沟(gou)道(dao)中就(jiu)形成了电(dian)流。当(dang)V1增大时，电(dian)荷密度增加(jia)，导(dao)致沟(gou)道(dao)两端之间(jian)的(de)(de)电(dian)阻变小，导(dao)致电(dian)流增大。

有了上面的理论基础我们回过头来再看图1，是不是感觉亲切了很多，但是和图3相比，图1有四点值得注意：

①该器件(jian)在下面(mian)的P型(xing)半导(dao)体(ti)基板上(shang)注入了两块(kuai)重(zhong)掺杂(za)的N型(xing)半导(dao)体(ti)。这是因为N型(xing)半导(dao)体(ti)能提供自(zi)由电子，对沟道中的电流传导(dao)有好处；

②所有的电压都是(shi)在(zai)(zai)上(shang)(shang)面加的，这是(shi)因为(wei)所有的MOSFET器件是(shi)做(zuo)在(zai)(zai)晶圆(yuan)上(shang)(shang)的，晶圆(yuan)片的示(shi)(shi)意图如图4，其中蓝色的小方格表示(shi)(shi)一(yi)个个小器件，所以，电压只能(neng)从(cong)上(shang)(shang)面加，不(bu)可能(neng)从(cong)侧边和(he)下(xia)面加。

图4 晶圆片示意图

③图(tu)3有图(tu)有4个端(duan)口(kou)(kou)，即V1的(de)两个端(duan)口(kou)(kou)和V2的(de)两个端(duan)口(kou)(kou)，而图(tu)1只有源级S、漏(lou)极D和栅极G三个端(duan)口(kou)(kou)，这是(shi)因为(wei)习惯上把最下面的(de)半(ban)导体基板作为(wei)参考(kao)电(dian)压(ya)(ya)为(wei)零，没(mei)有画(hua)出来。而且受(shou)源级S、漏(lou)极D和栅极G三个端(duan)口(kou)(kou)电(dian)压(ya)(ya)的(de)影响，沟道两边的(de)电(dian)压(ya)(ya)是(shi)不均(jun)匀的(de)，靠近源级一(yi)侧(ce)的(de)电(dian)压(ya)(ya)为(wei)V_GS，而靠近漏(lou)极一(yi)侧(ce)的(de)电(dian)压(ya)(ya)为(wei)V_GD。

④MOSFET器(qi)件是对称的(de)(de)，哪一端是源级(ji)，那一端是漏极呢？对于图1的(de)(de)MOSFET（NMOS）来说，两个(ge)N型掺(chan)杂半导(dao)体上加电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)低的(de)(de)一端是源级(ji)，这(zhei)是因(yin)为(wei)NMOS靠(kao)电(dian)(dian)(dian)(dian)子导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)，从电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)低的(de)(de)一端流到电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)高(gao)的(de)(de)一端，电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)低的(de)(de)一端为(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)(de)“源泉(quan)”。

mosfet器件的电学符号和电学特性
（一）电学符号

图5 左为(wei)物理结构，右为(wei)电学符号(hao)

图5中左图为(wei)(wei)MOSFET的(de)物理结(jie)构，右图为(wei)(wei)其电学符(fu)号，这里我画了(le)4个(ge)(ge)是(shi)为(wei)(wei)了(le)无论这个(ge)(ge)符(fu)号在电路(lu)图中怎(zen)么摆放，大家(jia)都应(ying)该(gai)认识。这里要(yao)大家(jia)特别注意的(de)是(shi)：符(fu)号中的(de)箭(jian)头(tou)(tou)不是(shi)栅极(ji)或(huo)漏(lou)极(ji)的(de)标志，因为(wei)(wei)MOSFET是(shi)对称的(de)，哪一端是(shi)漏(lou)极(ji)或(huo)栅极(ji)需要(yao)看(kan)所加电压的(de)大小。这里的(de)箭(jian)头(tou)(tou)只是(shi)区别NMOS还是(shi)PMOS，NMOS箭(jian)头(tou)(tou)向(xiang)(xiang)外如图中所示(shi)，PMOS箭(jian)头(tou)(tou)向(xiang)(xiang)里。一个(ge)(ge)简单的(de)记忆方法是(shi)，箭(jian)头(tou)(tou)总(zong)是(shi)从(cong)P型半导(dao)(dao)体指向(xiang)(xiang)N型半导(dao)(dao)体（和二极(ji)管的(de)箭(jian)头(tou)(tou)类似）。

（二）电学特性

研究一个器件(jian)最直接(jie)的(de)一种方法就(jiu)是在各(ge)个端口加电(dian)压，然后看看各(ge)个端口电(dian)流的(de)一些性质，也(ye)就(jiu)是研究该器件(jian)各(ge)个端口的(de)伏安特(te)性曲线。

Case I：如图(tu)6，在MOSFET栅极加电(dian)压，V_G>0，V_S=V_D=0。此时在沟(gou)道中聚集了电(dian)荷(he)，电(dian)荷(he)密度会随着V_G的增大(da)而增大(da)，但(dan)是没(mei)有电(dian)流(liu)。

图(tu)6 Case I

Case II：如(ru)图7，在(zai)MOSFET栅极(ji)和漏极(ji)加电(dian)(dian)压，V_G>0，V_D>0，V_S=0。此时，V_G试沟(gou)道聚(ju)集(ji)了电(dian)(dian)荷，当(dang)V_G>V_TH时，电(dian)(dian)荷数量聚(ju)集(ji)达(da)到一定程度，再当(dang)V_D>0时，在(zai)电(dian)(dian)压的驱(qu)动下自由电(dian)(dian)荷运动形成电(dian)(dian)流(liu)。

图7 Case II

伏安(an)特性：① 当V_G>V_TH为(wei)常数(shu)时，从(cong)(cong)直(zhi)观(guan)上(shang)来看(kan)流过沟(gou)道的(de)电(dian)流I_D随着V_D的(de)增大(da)而(er)增大(da)。② 当V_D为(wei)常数(shu)时，因为(wei)V_G越(yue)(yue)大(da)，沟(gou)道中聚集(ji)的(de)电(dian)子数(shu)量越(yue)(yue)多，相(xiang)当于从(cong)(cong)沟(gou)道一(yi)端(duan)到另一(yi)端(duan)的(de)电(dian)阻越(yue)(yue)小(xiao)，那么(me)从(cong)(cong)直(zhi)观(guan)上(shang)来看(kan)流过沟(gou)道的(de)电(dian)流I_D也会(hui)增大(da)。

mosfet器件选型需掌握的3大法则

mosfet器(qi)(qi)件(jian)恐怕是工程师们最常用的(de)器(qi)(qi)件(jian)之(zhi)一了，但你知(zhi)道吗？关于(yu)MOSFET的(de)器(qi)(qi)件(jian)选(xuan)型要考虑各方(fang)面的(de)因素，小到选(xuan)N型还是P型、封装(zhuang)类型；大(da)到MOSFET的(de)耐(nai)压、导通电(dian)阻(zu)等，不同的(de)应(ying)用需求千变万化，下面会总结(jie)一些MOSFET器(qi)(qi)件(jian)选(xuan)型的(de)3大(da)法则，希(xi)望对(dui)大(da)家有帮(bang)助(zhu)。

（一）功率MOSFET选型第一步：P沟道还是N沟道？

功率MOSFET有(you)两种类型：N沟(gou)道(dao)(dao)和P沟(gou)道(dao)(dao)，在系统设计(ji)的过(guo)程中选择(ze)(ze)N沟(gou)道(dao)(dao)还是P沟(gou)道(dao)(dao)，要针对实际的应用(yong)具体(ti)来选择(ze)(ze)。N沟(gou)道(dao)(dao)MOSFET选择(ze)(ze)的型号多，成本(ben)低(di)；P沟(gou)道(dao)(dao)MOSFET选择(ze)(ze)的型号较少，成本(ben)高。

如果功率MOSFET的S极连(lian)接(jie)端的电(dian)压不是系统的参考(kao)地(di)，N沟道就需(xu)要浮地(di)驱动(dong)(dong)(dong)(dong)、变压器驱动(dong)(dong)(dong)(dong)或自举驱动(dong)(dong)(dong)(dong)，驱动(dong)(dong)(dong)(dong)电(dian)路复杂；P沟道可以直接(jie)驱动(dong)(dong)(dong)(dong)，驱动(dong)(dong)(dong)(dong)简单(dan)。

需要考虑N沟道和P沟道的应用主要是：

（1）笔记本电(dian)脑、台(tai)式机(ji)和服务器等(deng)使用(yong)的给CPU和系(xi)(xi)统散热的风扇，打印机(ji)进纸系(xi)(xi)统电(dian)机(ji)驱动，吸(xi)尘器、空气(qi)净化器、电(dian)风扇等(deng)白家电(dian)的电(dian)机(ji)控(kong)制电(dian)路。这些系(xi)(xi)统使用(yong)全桥电(dian)路结构，每个(ge)桥臂可(ke)以使用(yong)P沟(gou)道或者(zhe)N沟(gou)道。

（2）通信系统(tong)48V输入系统(tong)的热插拨MOSFET放在高端，可(ke)以使用P沟道(dao)，也可(ke)以使用N沟道(dao)。

（3）笔(bi)记本电脑输入回路串联(lian)的(de)、起防反接(jie)和负载开关(guan)作用的(de)两(liang)个背靠背的(de)功率MOSFET。使(shi)用N沟道需要控制芯片内(nei)部集成驱动的(de)充电泵，使(shi)用P沟道可以直(zhi)接(jie)驱动。

（二）选取封装类型

功(gong)率MOSFET的沟道类(lei)型确(que)定(ding)后，第二步就要确(que)定(ding)封装，封装选取原则有：

（1）温升和热设计是选取(qu)封装(zhuang)最基本的要求

不同(tong)的(de)封(feng)装尺(chi)寸(cun)具有不同(tong)的(de)热(re)阻和(he)耗散功率(lv)，除了考虑系统的(de)散热(re)条件和(he)环境温度，如是(shi)否(fou)有风冷、散热(re)器的(de)形状和(he)大小限制(zhi)、环境是(shi)否(fou)封(feng)闭等因素，基本原则(ze)就是(shi)在(zai)保证(zheng)功率(lv)MOSFET的(de)温升(sheng)和(he)系统效率(lv)的(de)前提(ti)下，选取参数和(he)封(feng)装更(geng)通用的(de)功率(lv)MOSFET。

有时(shi)候(hou)由于其他条件的限制，需要使用(yong)多(duo)(duo)个(ge)MOSFET并联(lian)的方式来(lai)解(jie)决(jue)散(san)热(re)的问题(ti)，如在PFC应用(yong)、电动汽(qi)车(che)电机控制器、通信(xin)系统的模(mo)块电源(yuan)次级同步整流等应用(yong)中，都会选(xuan)取多(duo)(duo)沟道并联(lian)的方式。

（2）系统的尺寸限制(zhi)

有(you)些电(dian)子系(xi)统(tong)受制(zhi)于(yu)(yu)PCB的(de)(de)尺寸(cun)和内部的(de)(de)高(gao)度，如通(tong)信系(xi)统(tong)的(de)(de)模块(kuai)电(dian)源由(you)于(yu)(yu)高(gao)度的(de)(de)限(xian)(xian)制(zhi)通(tong)常(chang)采用DFN5*6和DFN3*3的(de)(de)封(feng)(feng)装(zhuang)；在有(you)些ACDC的(de)(de)电(dian)源中，由(you)于(yu)(yu)使用超(chao)薄设计或(huo)由(you)于(yu)(yu)外壳的(de)(de)限(xian)(xian)制(zhi)，装(zhuang)配时TO220封(feng)(feng)装(zhuang)的(de)(de)功率(lv)MOSFET沟道脚直(zhi)接插到根部，由(you)于(yu)(yu)高(gao)度的(de)(de)限(xian)(xian)制(zhi)不能(neng)使用TO247的(de)(de)封(feng)(feng)装(zhuang)。

有些超薄设计直接将器(qi)件沟(gou)道(dao)脚折弯平放，这(zhei)种设计生产工序(xu)会(hui)变复杂(za)。在大容(rong)量的锂(li)电池保护板中，由(you)于尺寸限制极(ji)为(wei)苛刻，现(xian)在大多使用(yong)芯片级的CSP封装，尽可(ke)能(neng)提高散热性能(neng)同时缩小尺寸。

（3）成(cheng)本控制

早期很(hen)(hen)多(duo)电子系(xi)统使用(yong)插件(jian)封(feng)装，这几年(nian)由于人(ren)工成(cheng)本(ben)增加，很(hen)(hen)多(duo)公(gong)司开始(shi)改用(yong)贴片(pian)(pian)封(feng)装，虽然(ran)贴片(pian)(pian)的(de)焊(han)接成(cheng)本(ben)比插件(jian)高，但是(shi)贴片(pian)(pian)焊(han)接的(de)自动化程度高，总体成(cheng)本(ben)仍然(ran)可(ke)以控制在合(he)理的(de)范围。在台式机的(de)主(zhu)板和(he)板卡等一(yi)些(xie)对成(cheng)本(ben)极(ji)其敏感的(de)应(ying)用(yong)中，通(tong)常采用(yong)DPAK封(feng)装的(de)功率MOSFET。

因此在选择功率MOSFET的(de)封装(zhuang)时，要结(jie)合产品(pin)的(de)特(te)点，综合考虑(lv)上面因素选取适合的(de)方案。

（三）选取导通电阻RDSON，注意：不是电

很多时候(hou)工程师(shi)关心RDSON，是(shi)因为RDSON和导通损(sun)耗直接相关。RDSON越(yue)小，功率(lv)MOSFET的(de)导通损(sun)耗越(yue)小；效(xiao)率(lv)越(yue)高、温升越(yue)低。

同样的(de)(de)，工程师(shi)尽可能沿用以前项(xiang)目中(zhong)或物(wu)料库中(zhong)现有(you)的(de)(de)元件，对于(yu)RDSON的(de)(de)真正选取方法并(bing)没(mei)有(you)太(tai)多的(de)(de)考虑。当选用的(de)(de)功率(lv)MOSFET的(de)(de)温升太(tai)低，出于(yu)成本的(de)(de)考虑，会改(gai)用RDSON大一些的(de)(de)元件；当功率(lv)MOSFET的(de)(de)温升太(tai)高(gao)、系统的(de)(de)效率(lv)偏(pian)低，就会改(gai)用RDSON小一些的(de)(de)元件，或通(tong)过优化外部的(de)(de)驱动电路(lu)，改(gai)进散热(re)的(de)(de)方式等来进行调整(zheng)。

如果(guo)是一(yi)个全(quan)新的项目，没有以前的项目可循(xun)，那么如何选取功率MOSFET的RDSON？这(zhei)里介绍一(yi)个方法给大家：

功耗分配法

当设(she)计一个电源系统(tong)的(de)时候，已知(zhi)条件(jian)有：输入电压(ya)范围(wei)、输出(chu)电压(ya)/输出(chu)电流、效(xiao)率、工作频(pin)率和驱动电压(ya)，当然还有其他的(de)技术指标，但和功(gong)率MOSFET相(xiang)关的(de)主要是(shi)这些参数。步(bu)骤如下：

（1）根(gen)据输(shu)(shu)入电(dian)压范(fan)围(wei)、输(shu)(shu)出(chu)电(dian)压/输(shu)(shu)出(chu)电(dian)流和效率，计算系统的最大损耗(hao)。

（2）对功(gong)率回(hui)路的(de)(de)杂散(san)损(sun)耗、非(fei)功(gong)率回(hui)路元件的(de)(de)静态(tai)(tai)损(sun)耗、IC的(de)(de)静态(tai)(tai)损(sun)耗以(yi)(yi)及驱(qu)动(dong)损(sun)耗做大(da)致的(de)(de)估(gu)算，经验值可以(yi)(yi)占总(zong)损(sun)耗的(de)(de)10%～15%。如果功(gong)(gong)率(lv)回路有电流取(qu)样(yang)电阻，则计(ji)算电流取(qu)样(yang)电阻的功(gong)(gong)耗(hao)(hao)。总损耗(hao)(hao)减(jian)去(qu)上面的这些损耗(hao)(hao)，剩(sheng)下部分就是功(gong)(gong)率(lv)器件、变压器或电感的功(gong)(gong)率(lv)损耗(hao)(hao)。将剩(sheng)下的(de)功率损(sun)耗按(an)一定的(de)比例分配到功率器(qi)件和(he)变压器(qi)或电感中，不确定的(de)话，按(an)元件数(shu)目平均分配，这样(yang)就(jiu)得到每个MOSFET的(de)功率损(sun)耗。

（3）将MOSFET的功(gong)率损(sun)(sun)耗(hao)(hao)，按(an)一定的比例分配(pei)给开(kai)关损(sun)(sun)耗(hao)(hao)和(he)导(dao)通损(sun)(sun)耗(hao)(hao)，不确定的话，平均分配(pei)开(kai)关损(sun)(sun)耗(hao)(hao)和(he)导(dao)通损(sun)(sun)耗(hao)(hao)。

（4）通过MOSFET导(dao)(dao)通损(sun)耗和流过的(de)有效值(zhi)电(dian)流，计算最(zui)大允(yun)许的(de)导(dao)(dao)通电(dian)阻，这个(ge)电(dian)阻是MOSFET在(zai)最(zui)高工作(zuo)结温的(de)RDSON。数(shu)据(ju)表中功率MOSFET的(de)(de)(de)(de)RDSON标注(zhu)有(you)确定的(de)(de)(de)(de)测试条(tiao)(tiao)件(jian)，在(zai)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)既定条(tiao)(tiao)件(jian)下具(ju)有(you)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)值(zhi)，测试的(de)(de)(de)(de)温(wen)度(du)(du)为：TJ=25℃，RDSON具(ju)有(you)正温(wen)度(du)(du)系(xi)(xi)数(shu)，因此根(gen)据(ju)MOSFET最高的(de)(de)(de)(de)工作结温(wen)和RDSON温(wen)度(du)(du)系(xi)(xi)数(shu)，由上述RDSON计算(suan)值(zhi)，得到25℃温(wen)度(du)(du)下对应的(de)(de)(de)(de)RDSON。

（5）通过25℃的(de)RDSON来选取型(xing)号合适的(de)功率MOSFET，根据MOSFET的(de)RDSON实际参数，向下或向上(shang)修整。通过以上步骤，就可以初步选定功率MOSFET的型号和RDSON参数。

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