【功率器件研究所】第二课：如何理解功率MOSFET规格书（2/4）

五．静态参数

图5.1IRFB11N50Adatasheet section 6

这里给出了结温25度时的静态参数，这些参数常出现在各类测试数据报告中，是必测的参数之一。

1．漏源击穿电压V_(BR)DSS：

这个参数就是我们常说的BV_DSS，是指栅源电压V_GS为0时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压，也就是漏源间寄生二极管的反向击穿电压。一般定义为漏电流达到250uA时候的漏电压。该击穿也属于雪崩击穿范畴，只是我们一般测量的漏电流比较小，对于正常器件来说，不具有破坏性。

击穿电压V_(BR)DSS是我们衡量一个MOS器件的重要参数，它和导通电阻R_DS(on)都与器件的外延层厚度有关，并成正比（如图5.2所示）。

图5.2 Normalized R_DS(on) vs. V_(BR)DSS

也就是说，厚的外延层能带来高的击穿电压，当同时也会带来大的导通电阻，这一点尤其在高压器件中表现的最为明显。如何平衡两者的关系，是在设计者在设计时必须解决好的关键问题。

在目前的高压器件工艺中，引入了所谓GuardRing的结构，用以减缓结表面电场线的变化趋势，防止电场线集中导致的提前击穿现象。

图5.3 ElectricFieldcrowdingforSingle Source

如图5.3表示出了单个Source区域的电场线分布，两图中的箭头方向均为电场线方向，从两图对比不难看出，（b）中的Source区域的电场线分布平滑及均匀，尤其是N+转角的薄弱处受到的电场冲击较少，这样大大减少了由于电场集中而导致提前击穿的问题。如果将多个Ring连接起来，就会得到图5.4的电场线分布效果。

图5.4 优化后的边缘结构

此外，还有主结，场板等用于改善电场线的结构也被广泛的应用。

2．饱和漏源电流I_DSS：

栅极电压V_GS=0、V_DS为一定值时的漏源电流。

一般情况下，会给出两组漏源电流，分别是常温下100％额定电压下的漏电流以及极限温度下80％额定电压下的漏电流。

如图5.5，漏源电流在125℃以下会很小，在纳安级别，当超过这个温度时，每上升10℃，电流就会增大约一倍。

图5.5 I_DSS vs. Temperature

这里的I_DSS与之前的I_D不是一个概念。I_D主要由工艺中所选用外延决定，是一个计算的值。而I_DSS则是实际应用中的电流值，是器件真实性能的一个表现。

3．栅源驱动电流及反向电流I_GSS：

由于 MOSFET 输入阻抗很大，I_GSS一般在纳安级。

一般低压产品的I_GSS测试电压为20V，高压产品的测试电压为30V。

栅电流是用来确认栅极质量的，包括栅极与源极间的隔离情况以及栅氧的质量。

4．开启电压（阀值电压）V_GS(th)：

当外加栅极控制电压V_GS超过V_GS(th)时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中，常将漏极短接条件下I_D等于250uA时的栅极电压称为开启电压。

此参数一般会随结温度的上升而有所降低（见图5.6 不同温度下的输出特性曲线）。一般来说，高压器件的开启的规范为[2,4]，低压器件的开启规范为[1,2]，这是根据应用时外部的CMOS和TTL电路的驱动电压来制定的。

(a)

(b)

图5.6Typical Output Characteristics

(a)T_J=25˚C; (b) T_J=150˚C

具体的开启电压大小受栅氧厚度，P-body注入剂量及衬底掺杂浓度而决定。

5．导通电阻R_DS(on)：

在特定的V_GS（一般为普通驱动电压10V，或逻辑电路驱动电压4.5V）、结温及漏极电流的条件下，MOSFET 导通时漏源间的最大阻抗。

R_DS(on)是一个非常重要的温度敏感参数，决定了 MOSFET 导通时的消耗功率。在25˚C和110˚C间，它的值近似变为两倍（见图5.7所示）。考虑到MOSFET正常运行时的结温T_J不会低于25˚C，故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算的标准。

一般用150˚C与25˚C时的比值作为器件额定电流的计算因子（图4.2）。这个因子一般在100V~900V的高压器件中为2.5~2.8，小于100V的低压器件为1.6~1.7。

通常R_DS(on)定义为V_G为10V时的值，这是由于当V_G大于10V，R_DS(on)的变化就很小了，如图5.7。

图5.7 典型导通电阻曲线 

一个完整的R_DS(on)是由器件结构中很多块电阻串联而成，其每部分的组成电阻结构见图5.8，

图5.8 Origin ofInternal Resistance in a Power MOSFET

说明如下：

1）R_SOURCE：Source扩散区的电阻（Sourcediffusionresistance）；

2）R_CH：沟道电阻（Channelresistance），这个电阻是低压器件的R_DS(on)组成中最主要的部分（见图5.10）；

3）R_A：堆积电阻（Accumulationresistance）；

4）R_J：两个P-body区域间的JEFT电阻（JEFTcomponent-resistance）；

5）R_D：漂移区电阻（Driftregionresistance），也就是我们常说的EPI电阻，这个电阻是高压器件的R_DS(on)组成中最主要的部分（如图5.10）；

图5.10  RelativeContributions to R_DS(on) With Different Voltage Ratings

6）R_SUB：衬底电阻（Substrateresistance）；

7）R_wcml：Source和Drain之间的金属，金属与硅之间以及封装中的焊接金线等的金属接触电阻总和（Sum ofWire resistance）,这个电阻部分在高压器件的R_DS(on)组成中，可以忽略不计，但在低压器件中却很重要（见图5.10）。

如图5.10，给出了R_DS(on)各部分组成电阻在不同工作电压的器件中所占的比例，可以看出，在500V的高压器件中，EPI电阻占了50％以上，这由于为了增加器件的耐压而增厚EPI所导致的，但R_DS(on)过高会使器件功耗增大，容易发热，影响器件的使用寿命，所以如何在BV_DSS和R_DS(on)之间选择一个平衡的EPI厚度，是高压器件设计人员的一个重大课题。

目前在业界评定R_DS(on)时，为了去除器件面积对其的影响，比较普遍的做法就是使用R_DS(on)和器件的有效管芯面积作为标准，称为RSP，其定义的计算公式是：

RSP = R_DS(on)×Active Area  

（式5）