介紹插拔電路中MOSFET的要求(擊穿電壓、安全操作區域、擊穿特征)

MOSFET即金氧半場效晶體管，是一種最常見的MOS管，也是構成數字集成電路的基本單元，在開關電源、馬達控制、汽車電子、LED燈具驅動等領域具有廣泛的應用。

在當電源應用中，當負載突然斷開時，電路寄生電感元件上的大電流擺動會產生巨大的尖峰電壓，對電路上的電子元件造成十分不利的影響。與電池保護應用類似，此處MOSFET可以將輸入電源與其他電路隔離開來。但此時，MOSFET的作用并不是立即斷開輸入與輸出之間的連接，而是減輕那些具有破壞力的浪涌電流帶來的嚴重后果。這需要通過一個控制器來調節輸入電壓（VIN）和輸出電壓（VOUT）之間MOSFET上的柵源偏壓，使MOSFET處于飽和狀態，從而阻止可能通過的電流。

MOSFE的注意事項

當針對熱插拔應用時，對于MOSFET在飽和區工作的任何情況，設計師都可以使用相同的SOA選擇過程，甚至可以為OR-ing應用、以太網供電（PoE）以及低速開關應用（如電機控制）使用相同的MOSFET選擇方法，在MOSFET關斷期間，會出現相當高的VDS和IDS的重疊。

熱插拔是一種傾向于使用表面貼裝MOSFET的應用，而不是通孔MOSFET（如TO-220或I-PAK封裝）。原因在于短脈沖持續時間和熱擊穿事件發生的加熱非常有限。換句話說，從硅結到外殼的電容熱阻元件可以防止熱量快速散失到電路板或散熱片中以冷卻結點。芯片尺寸的函數 - 結到外殼的熱阻抗（RθJC）很重要，但封裝、電路板和系統散熱環境的函數 - 結到環境熱阻抗（RθJA）要小得多。出于同樣的原因，很難看到散熱片用于這些應用。

設計人員經常假定目錄中較低電阻的MOSFET將具有較強的SOA。這背后的邏輯是 - 在相同的硅片生產中較低的電阻通常表明封裝內部有較大的硅芯片，這確實產生了更好的SOA性能和更低的結至外殼熱阻抗。然而，隨著硅片的更新迭代提高了單位面積電阻（RSP），硅片也傾向于增加電池密度。硅芯片內部的單元結構越密集，芯片越容易發生熱擊穿。這就是為什么具有更高電阻的舊一代FET有時也具有更好SOA性能的原因。

MOSFET要如何選擇

首先要為MOSFET考慮的是選擇合適的擊穿電壓，一般為較大輸入電壓的1.5到2倍。例如，12V系統通常為25V或30V MOSFET，而48V系統通常為100V或在某些情況下達到150V MOSFET。

下一個考慮因素應該是MOSFET的安全工作區（SOA），如數據表中的一條曲線。它特別有助于指示MOSFET在短時功率浪涌期間是如何影響熱擊穿的，這與在熱插拔應用中必須吸收的情況并無二致。由于安全操作區域（SOA）是進行適當選擇重要的標準，請參照了解MOSFET數據表-SOA圖，該文詳細介紹TI如何進行測量，然后生成設備數據表中顯示的MOSFET的SOA。

對于設計師而言，關鍵的問題是FET可能會經受的較大浪涌電流（或預計會限制到輸出）是多大，以及這種浪涌會持續多久。了解了這些信息，就可以相對簡單地在設備數據表的SOA圖上查找相應的電流和電壓差。

例如，如果設計輸入電壓為48V，并且希望在8ms內限制輸出電流不超過2A，設計師可以參考CSD19532KTT、CSD19535KTT和CSD19536KTT SOA的10ms曲線，并推斷出后兩種設備可能行得通，而CSD19532KTT則不行。由于CSD19535KTT已經擁有足夠余量，對此種應用來說，更昂貴的CSD19536KTT可能提供過高的性能。

假定環境溫度為25?C，與在數據表上測量SOA的情況相同。由于最終應用可能暴露于更熱的環境中，所以必須按照環境溫度與MOSFET較大結溫之比，按比例為SOA降額。例如，最終系統的較高環境溫度是70?C，可以使用SOA曲線降額公式為SOA曲線降額。

在這種情況下，CSD19535KTT的10ms，48V能力將從2.5A降至1.8A。由此推斷出特定的MOSFET可能不再適合該應用，從而設計師應該改選CSD19536KTT。

值得注意的是，這種降額方法假設MOSFET恰好在較大結溫下發生故障，雖然通常不會如此。假設在SOA測試中測得的失效點實際上發生在200?C或其他任意較高溫度下，計算的降額將更接近統一。也就是說，這種降額方法的計算不是保守的算法。

SOA還將決定MOSFET封裝類型。D2PAK封裝可以容納大型硅芯片，所以它們在更高功率的應用中非常流行。較小的5mm×6mm和3.3mm×3.3mm四方扁平無引線（QFN）封裝更適合低功率應用。為抵御小于5-10A的浪涌電流，MOSFET通常與控制器集成在一起。

MOS管擊穿特征

（1）穿通擊穿的擊穿點軟，擊穿過程中，電流有逐步增大的特征，這是因為耗盡層擴展較寬，產生電流較大。另一方面，耗盡層展寬大容易發生DIBL效應，使源襯底結正偏出現電流逐步增大的特征。

（2）穿通擊穿的軟擊穿點發生在源漏的耗盡層相接時，此時源端的載流子注入到耗盡層中，被耗盡層中的電場加速達到漏端，因此，穿通擊穿的電流也有急劇增大點，這個電流的急劇增大和雪崩擊穿時電流急劇增大不同，這時的電流相當于源襯底PN結正向導通時的電流，而雪崩擊穿時的電流主要為PN結反向擊穿時的雪崩電流，如不作限流，雪崩擊穿的電流要大。

（3）穿通擊穿一般不會出現破壞性擊穿。因為穿通擊穿場強沒有達到雪崩擊穿的場強，不會產生大量電子空穴對。

（4）穿通擊穿一般發生在溝道體內，溝道表面不容易發生穿通，這主要是由于溝道注入使表面濃度比濃度大造成，所以，對NMOS管一般都有防穿通注入。

（5）一般的，鳥嘴邊緣的濃度比溝道中間濃度大，所以穿通擊穿一般發生在溝道中間。

（6）多晶柵長度對穿通擊穿是有影響的，隨著柵長度增加，擊穿增大。而對雪崩擊穿，嚴格來說也有影響，但是沒有那么顯著。

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