MOSFET是場效應管的一種，屬于絕緣柵型場效應晶體管，全稱為金屬-氧化物半導體場效應晶體管。如圖1為MOSFET的結構圖，是利用電場來在柵極形成載流子溝道來溝通源極和漏極。

圖 1 MOS的一般結構

MOSFET可以被制造成增強型（當柵極端子兩端沒有電壓時，該器件將不導通）或耗盡型（當柵極端子兩端沒有電壓時，通道將顯示其最大電導），實際應用的一般是增強型的N溝道或P溝道MOS。這兩種之中如何選擇我們將在后文中講到。所以，制造出來的增強型 MOS，由于襯底的不同分為 N 型（具 有位于源極和漏極端子之間的 N 溝道區域，襯底為 P 型）和 P 型如?圖 2 為 N 溝道 MOS 的結構圖。在柵極施加具有正電壓時，則存在于氧化層下方的空穴將被向下推入基板。

圖 2

在電子到達時，形成通道。正 電壓還將電子從 n +源極和漏極區吸引到溝道中。此時在漏極和源極 之間施加電壓，電流將在源極和漏極之間自由流動，而柵極電壓控制 著溝道中的電子。在 NMOS 中，Vgs 大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時 的情況(低端驅動)，比如只要柵極電壓達到 4V 或 10V 就可以了。在 PMOS 中，Vgs（電壓）小于一定的值就會導通，適合用于源極接 VCC 時的情況(高端驅動)。

不管是 NMOS 還是 PMOS，由于存在的工作狀態屬于工作在截止區、飽和區、線性區 （歐姆區），所以導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分 消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的 MOS 管會減小導通損耗。由此可見，MOS 具有相當于開關的作用。

MOS在導通和截止的時候，不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。

所以，總結起來MOSFET具有以下特點：開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、工作頻率高（可到Mhz）。同時電流容量小、耐壓低、驅動功率小，是屬于電壓控制型的單極型自關斷器件，典型應用是開關電源。在開關電源中，如漏極開路電路，漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關斷負載電流，是理想的模擬開關器件。

MOSFET 有兩個作用：開關和隔離。需要MOS來完成作為隔離器件這個作用時，即是將其看作一個二極管，需要的是單向導電性。當需要MOS導通時，在控制端加合適的電壓，可以使MOS飽和導通，優點是幾乎不產生壓降；

圖 3 MOS的應用領域

由于MOSFET的特點，決定了在工作頻率高于其他功率器件時（目前大概定為70KHZ），MOS成為了唯一的選擇，比如變頻器、音頻設備。此外，由于MOS輸出功率小和較低的開關損耗，在10KHZ-100KHZ之間的低功率領域（5KW）MOS也可作為主流功率器件，比如電磁爐、液晶電視板卡等(如圖3)。MOS多作為開關器件，追求高頻與低功耗，因此N溝道增強型是較優選擇，而PMOS多作為開關電路中的高側開關使用。MOS的應用選擇比較考驗工程師對于設計裕量的考慮，側面反應工程師對于項目的整體把握。可以把MOSFET選型分成四個步驟。?

1.選用N溝道還是P溝道

即高側開關還是低側開關的考慮。在低壓側開關中，應采用N溝道MOSFET，出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮（MOSFET接地，負載連接到干線電壓上時，構成低壓側開關），如圖。高壓側開關中采用P溝道MOSFET，出于對電壓驅動的考慮（MOSFET連接到總線，負載接地，構成高壓側開關。這一步之后需要確定的是額定電壓Vds，應當大于干線電壓或總線電壓。其余在后文中需要關注的MOS關鍵數據會提到。

考慮最壞情況和真實情況下封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結溫。?結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散]。考慮雪崩擊穿，即半導體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強電場使器件內電 流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大，此外考慮柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電 容。這些電容會在器件中產生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOSFET 的開關速度因此被降低，器件效率也下降。MOSFET 開關的總功率可用如下方程表達：Psw=(開通損耗+關斷損耗)

綜上所述，在將 MOS 作為開關時的實際應用中，選擇合適的 MOS 需要考慮以下參數：漏源電壓 Vds（耐壓）、Vgs、IDss、IGss、RDS(on) 導通電阻、結電容、品質因數 FOM=Ron ?* Qg 等。

1.Vds 和Vgs 。確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓Vds，或“漏源擊穿電壓”，這是在柵極短路到源極，漏極電流在定值情況下，MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。Vds也被稱為“25℃下的絕對最高電壓”，同時，這個絕對最高電壓與溫度有關，具體參考數據手冊“Vds溫度系數”；另外，最高Vds是直流電壓加上可能在電路里存在的任何電壓尖峰和紋波。在導通過程中柵源電壓Vgs，即在給定的最大RDS(on)條件下，能夠確保MOSFET完全導通的電壓。

2.導通電阻RDS(on)，MOSFET的導通電阻RDS(on)是在一個或多個柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數值高20%～50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃結溫下的數值，而在更高的溫度下，RDS(on)可以增加30%～150%。導通電阻對N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。

3.柵極電荷Qg，在開關電源中，Qg是用在開關電源里的N溝道MOSFET的關鍵選擇標準，因為Qg會影響開關損耗。這些損耗有兩個方面影響：一個是影響MOSFET導通和關閉的轉換時間；另一個是每次開關過程中對柵極電容充電所需的能量。Qg取決于柵源電壓，使用更低的Vgs可以減少開關損耗。?（如果系統對開關性能要求比較高，同時希望又有很小的損耗，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET，如超結MOS）

4.品質因數FOM，FOM=RDS(on) xQg。FOM總結了器件的性能，可以用典型值或最大值來比較MOSFET。要保證在器件中進行準確的比較，但是需要確定用于RDS(on) 和Qg的是相同的Vgs。較低的FOM能在開關應用里獲得更好的性能。

5.額定電流和功率損耗，IDss：漏極與源極之間的漏電流；IGss：柵極與源極之間的漏電流；功率損耗取決于溫度和導通時間，包括開通損耗、導通損耗、關斷損耗、截止損耗、門級損耗、輸出電容損耗（此損耗一般在開關頻率較高、硬開關工作時的幅值較高）。其中后三個在總的損耗中占的比重很小，設計時不用重點考慮；由于電路拓撲、軟開關技術、負載、開關頻率的不同，開通損耗、關斷損耗在總損耗中占的比重不同，需要另外考慮。

6.封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結溫，考慮散熱時，不同使用場景考慮方式不同。對于用在手持設備里的小型表面貼裝器件，關聯度最高的電流等級可能是在70℃環境溫度下的電流，對于有散熱片和強制風冷的大型設備，在TA = 25℃下的電流等級可能更接近實際情況。要選擇合適的MOS，需要了解MOS類型。目前，市面上的主流功率MOSFET類型主要包括：由于技術變化形成的內部結構不同的Planar、Trench、Lateral、SuperJunction、Advanced Trench以及由于材料迭代形成的半導體材料改變的SiC、GaN，它們的主要特點及應用領域如下圖。

圖 5 MOS的主要分類和適用領域

其中，SiC和GaN 屬于高端MOS，我們將在下期的文章中講到。表中Planar和Trench屬于VDMOS（垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應管），Lateral屬于LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管）。本次將以消費電子中應用較為廣泛的VDMOS為主。比如SJ-MOS在照明行業中的應用。為了克服傳統MOS導通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，一些人在VDMOS基礎上提出了一種新型的理想器件結構，稱為超結器件或SJ-MOS，他們的結構如圖6和圖7所示，其由一些列的P型和N型半導體薄層交替排列組成。在截止態時，由于P型和N型層中的耗盡區電場產生相互補償效應，使P型和N型層的摻雜濃度可以做的很高而不會引起器件擊穿電壓的下降。導通時，這種高濃度的摻雜可以使其導通電阻顯著下降，大約有兩個數量級。因為這種特殊的結構，使得SJ-MOS的性能優于傳統的VDMOS。

圖6 VDMOS結構

圖 6 SJ-MOS結構

SJ-MOS的具有以下優點：1、Rdson遠低于VDMOS，通態損耗小。2、同等功率規格下封裝小，有利于功率密度的提高。3、導通損耗低，從而降低了電源類產品的損耗。同時因為這些損耗都是以熱量的形式散發出去，所以減小了散熱器的體積，有效的提高了系統電源類產品的功率密度。4、柵電荷小，對電路的驅動能力要求降低。5、結電容小，開關速度加快，開關損耗小。

LED照明屬于發熱量較大、損耗較大的應用，所以，SJ-MOS應用于LED照明行業再適合不過，可以使得整體熱損耗減小，降低因散熱問題帶來的負擔，盡量少的避免損害LED的發光效果，同時在MOS過熱時自動關斷電路達到保護LED燈具的目的，避免減少LED的使用壽命。此外，也可以節省生產成本。

但是，結合前文中提到的在應用中應考慮的各個參數，又因相較于VDMOS，其實SJ-MOS也有其缺點，比如對于高頻開關電源來說由于較小的寄生電容帶來的較快的開關性能，SJ-MOS的EMI可能超標并引起柵極震蕩，同時漏源極電壓尖峰比較大，以及由于結構原因導致的抗浪涌及耐壓能力差，都需要工程師在設計時預留足夠的余量使得設計較為可靠。

美浦森的SJ-MOS除了應用于LED照明領域，還具有較多的應用于場景，比如開關電源、適配器、充電器、TV電源等。根據前文提到的選擇注意事項，根據選擇標準，美浦森下表可做參考選擇。

美浦森具有POWER VDMOS、SJ-MOS、SiC MOS，Si VDMOS主要用于逆變器、鎮流器、開關電源、PC電源、手機充電器電源（包括不得不提的快充類型）；SiC MOS這樣的高級器件，具有低導通電阻、低開關損耗、高開關頻率、高工作結溫的特點，在汽車電子中比如汽車中控、行車記錄儀應用廣泛，尤其汽車儀表盤中更是必不可少。等在下期的文章中，我們將從開關電源、工業照明、汽車電子三個方面繼續介紹Maplesemi的其他產品特性和應用。

fqj