一文详解MOS的寄生模型

MOS----MOS的寄生模型

引言：MOSFET是金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor）的缩写，具有高速和低损耗的特性，广泛应用于各种领域。和普通的阻容一样，MOS也有其寄生模型，了解其等效寄生模型有助于我们在高速应用中快速掌握其特性。

1.基本模型

图1-1：NMOS和PMOS实际寄生模型

MOSFET与双极功率晶体管相比，其开关速度更快（双极晶体管以电子和空穴为载流子施加电流，但MOSFET只允许电流与电子载流子一起流动，从而实现高速开关操作），损耗更低。图1-1示出了NMOS和PMOS增强型（本系列后续都以增强型N/P-MOS为主）的等效电路，以及一般常用导通时的电流流向。注意这个导通流向不是唯一的，主要是看源极和漏极之间的电位，漏极电位高于源极，电流D到S。源极电位高于漏极，电流S到D。

2.静态参数

我们将MOS的参数归为两类，静态参数和动态参数，当用于低频率场合，诸如负载开关，器件驱动等时，只需要关注静态参数，当用于高频场合，诸如外驱功率MOS，电平转换，小信号处理时，在静态参数之外还需要关注其动态参数。

静态参数：

VDSS：当栅极和源极导通时，可施加在漏极和源极之间的最大电压

VGSS：当漏极和源极导通时，可在栅极和源极之间施加的最大电压

ID：漏极端子的最大允许电流

ID(pulse)：脉冲操作期间漏极端子的最大允许电流

IDR：寄生二极管的最大允许电流

Pch：漏极和源极之间的最大允许功率损耗

VBRDSS：漏源击穿电压，通过将栅极与源极短路，实现特定漏极电流的漏极与源极电压

VGSTH：栅极-源极阈值电压

VGS（th）：栅极-源极阈值电压

IDSS：漏极漏电流，通过将栅极与源极短路，在漏极和源极之间施加规定电压时的漏极电流

IGSS：栅极漏电流，通过使漏极与源极短路在栅极和源极之间施加规定电压时的栅极电流

VGS(OFF)：当施加指定的漏极到源极电压时，用于指定漏极电流的栅极到源极的电压

RDSON：漏源导通电阻，当施加指定的栅极到源极电压时，指定漏极电流的漏极到源极电阻

RG：栅极寄生电阻

VGS（th）对于确定MOSFET的导通状态和截止状态很重要。VGS（th）被定义为VDS＝VGS，尽管它有时被引用为固定的VDS（例如10V）。请注意，对于源极和漏极短路在一起的特定电流，阈值电压的定义可能与教科书中的例子不同。教科书中的参数描述了MOSFET物理状态的变化，并且与MOSFET芯片尺寸无关。RDSON不是一个固定值，它随VGS的大小而变化，图1-2表示了这种关系，VGS越大，MOS的沟道开启的越多，等效的RDSON越小，开关损耗也越小，这一点在应用MOS时非常重要。另外VGSTH值只是一个门槛值，表明MOS的沟道已经打开，但却不表明已经是完全打开的程度，所以一般外施加的VGS一定要大于VGS（th），取1.5×VGS（th），需要考虑到VGS的波动。

图1-2：VGS与RDSON之间的关系曲线

3.动态参数

Qgd：栅极-漏极电荷，电压与栅极和漏极之间的镜像效应导致电荷增加

Qgs：栅极-源极电荷，将栅极-源极电压增加到阈值电压所需的电荷

Qg：栅极总电荷，在栅极和源极之间施加规定电压所需的电荷

Ciss：输入电容，Ciss = CGS + CGD

Coss：输出电容，Coss = CDS + CGD

Crss：反向转移电容，Crss = CGD

td(on)：导通延时

tr：上升时间

td(off)：关断延时

VSD：体二极管的源漏电压

4.动态过程

QG（tot）、QGS和QGD都是来自同一栅极电荷曲线的参数。它们描述了在特定条件下，MOSFET需要多少栅极电荷才能切换。这在高频开关应用中尤其重要。当漏极、栅极和源极之间同时发生显著的电压和电流变化时，大部分功率损耗发生在开关期间。在全关闭状态下，存在显著的电压，但电流可以忽略不计。在全导通状态下，存在显著的电流和较小的电压。

栅极电荷参数取决于阈值电压和开关动态以及正在被开关的负载，但电阻负载和电感负载之间存在差异。栅极电荷曲线示例如图1-3所示：

图1-3：QGS的充电如何影响ID，VD，VG

由于电容随电压和电流的变化，在确定开关性能时，最好查看栅极电荷数据，而不是电容数据。如果MOSFET的栅极驱动器电路被限制在特定电流，并且需要快速开关，则情况尤其如此。栅极电荷曲线描述了MOSFET的情况，该MOSFET的漏极被限制在特定的电流和电压。

在此期间，漏极-源极电压开始下降，因为MOSFET上增加的电荷允许更容易的传导。因此，尽管栅极-源极电压是恒定的，但是漏极-栅极电压正在下降。最终，电容停止增加，栅极电荷的任何进一步增加都会增加栅极-源极电压。这种特性有时被称为“米勒平台”，因为它指的是所谓的米勒电容增加的时间。米勒平台也被称为栅极-漏极电荷（QGD）。在此期间，漏极和源极之间存在显著的电流和电压，因此QGD在确定开关损耗时很重要。

一旦达到米勒平台的末端，栅极-源极电压再次增加，但具有比达到QGS之前更大的电容。栅极电荷曲线的梯度在米勒平台之上较小。栅极电荷参数高度依赖于测量条件，不同的供应商经常针对不同的条件呈现其栅极电荷参数，在比较不同来源的栅极电荷参数时要求谨慎。较高的电流导致较高的栅极-源极电荷值，因为平台电压也较高。随着平台的增加，更高的漏极-源极电压导致栅极-漏极电荷和总栅极电荷的值更高。栅极电荷切换期间的漏极-源极电流和电压如图1-3所示。

如果MOSFET开始处于关断状态（VGS＝0V），则栅极上电荷的增加最初导致栅极-源极电压的增加。在该过程中，在源极和漏极之间提供恒定电压（VDS）。

当栅-源电压达到该漏-源电压下的极限电流的阈值电压时，MOSFET的电容增加，栅极电压保持恒定。这被称为平台电压，起始电荷被称为QGS。电流越高，平台电压就越高（见图1-4）。这与传递特性有关，栅极上的电压越高，施加的电荷就越多，（Q=C×V），因此使MOSFET更容易导通。

图1-4：栅极电荷曲线的特点（Plateau：稳定期）

栅极电荷曲线中电荷、电压和电容之间的关系为：ΔQ=ΔC xΔV。对于不同栅极电压下的电荷QG的不同梯度，电容随着栅极-源极电压的变化而显著变化。