DC/DC基本原理2 (MOSFET) : 什麼是MOSFET? Power MOSFET？ What is MOSFET? Power MOSFET?

作者:Minepower 伏特羊

I. What is MOSFET?

要先認識Power MOSFET之前，勢必需要先知道什麼是MOSFET，因此簡單介紹一下MOSFET是什麼。

金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，也簡稱為金氧半場效電晶體或是稱為MOS，是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效電晶體。

MOSFET通常是四端元件，包括源極（Source, S）、汲極（Drain, D）、閘極（Gate, G）以及基極（Bulk 或 Body），這四個端子共同構成了 MOSFET 的基本結構。在 MOSFET 的電路符號中，箭頭的方向用來表示 MOSFET 的型別（N型或P型）

MOSFET依照其通道極性的不同，可分為電子占多數的N通道型與電洞占多數的P通道型，通常被稱為N型金氧半場效電晶體(NMOS)與P型金氧半場效電晶體(PMOS)，簡單分辨方式如下:

1.如果MOS電路符號內部箭頭指向基極（Bulk），這是一個N型的 MOSFET，稱為 NMOS，NMOS表示符號如圖1所示；其電流走向為Drain 到 Source 。

圖1. NMOS電路表示符號

NMOS輸出端電流ID對VDS的特性曲線，可以分為三個區段，截止區、歐姆區以及飽和區，如圖2所示。

圖2. NMOS-ID、VDS特性曲線

1.截止區 (VGS < VT): 此區間特性呈現如開路。

當VGS < 臨界電壓(Threshold Voltage, VT) = VGS(t) 時，通道尚未導通，因此通道上沒有電流可以流通，此時的特性曲線呈現為水平曲線，位於截止區(導通電阻=∞，可等校視為開路)。在截止區的工作條件可由式(1)表示。

2.歐姆區: 此區間特性呈現如壓控電阻

位於此區段時，VGS必須>VT，在基板接面建立N通道後，當VDS很小時，整條通度的厚度是均勻的，其通道特型如圖3(a)，此時特性曲線是呈現固定斜率，表現出線性電阻的特性，如圖3(b)表示。

當VGS逐漸加大時，基板接面會吸引更多的反轉電子，使得通道加厚，因此導通電阻變小、通過的電流會增加。

圖3. NMOS-歐姆區工作模式(線性電阻特性)

當VDS電壓逐漸增加，使得汲極與閘極之間的壓差逐漸減小，因為當VDS上升時，VGD下降 (VGD=VGS-VDS)，汲極端的通道厚度會比源極端還小，形成了梯型的通道，如圖4(a)所示。

圖4. NMOS-歐姆區工作模式(非線性電阻特性)

在歐姆區工作條件可由式(2)表示，其中VDS(sat)是歐姆區與飽和區的分界電壓(VDS(sat) =VGS - VT )，稱之為飽和電壓。

在歐姆區的特性可等校成壓控電阻如圖5(c)，依據VGS電壓大小，改變導通電阻、導通電流，如圖5(c)表示，VGS電壓越大，導通電流越大。

圖5. NMOS-歐姆區之等校模型

3.飽和區: 此區間特性呈現如壓控電流源

當VDS電壓逐漸增加到飽和電壓(VDS(sat))，汲極端的通道厚度被截止，變成錐形的通道，可由圖6(a)、圖6(b)表示。

此時輸出特性曲線在進入飽和區後，會呈性水平曲線，汲極電流保持在固定值，如圖6(c)。

圖6. NMOS-飽和區工作模式(定電流特性)

將輸出特性曲線的VGS與飽和電流(ID)做輸入、輸出變數，因此可得轉移特性曲線，如圖7(c)。

圖7. NMOS-轉移曲線

在飽和區的定電流特性可等校成壓控電流源如圖7(d)，並依據轉移特性曲線的軌跡可得電流方程式，可由式(3)表示，其中K為導電參數。

2.如果MOS電路符號內部箭頭指向通道（Source 到 Drain 的通道），表示這是一個P型的 MOSFET，稱為 PMOS，PMOS表示符號如圖8所示；其電流走向為Source 到 Drain，與NMOS電流走向相反。

圖8. PMOS電路表示符號

PMOS之電壓、電流方向皆與NMOS相反，因此PMOS其特性曲線可由圖9表示。

圖9. PMOS-輸出特性曲線、轉移曲線

II. What is Power MOSFET?

由上文介紹認識了基本MOSFET的特性，而這種類型的MOSFET通常為Signal MOSFET，相比與電力電子所使用的Power MOSFET有些許的不同，Power MOSFET是專門處理大功率的電壓和電流的MOSFET，功率級MOSFET和一般信號級的MOSFET原理相同。

比較信號級MOSFET與功率級MOSFET的不同，圖10是Signal MOSFET規格(2N7002MTF Datasheet)，圖11是Power MOSFET規格(QN3120M6N Datasheet)，並主要比較兩者之RDS(on)導通電阻、Ciss輸入電容，由Datasheet中可觀察到:

1. Power MOSFET的導通電阻(Rdson)會遠小於Signal MOSFET，一個是mΩ等級、另一個則是Ω等級。

因此Power MOSFET在導通時的損耗會遠小於Signal MOSFET，因此大幅減少導通時的損耗；而損耗較小，因此造成的熱也會較少，使得Power MOSFET可承受的電流又比Signal MOSFET更加。因此Power MOSFET更適合應用在大功率的應用。

圖10. Signal MOSFET規格(2N7002MTF Datasheet)

圖11. Power MOSFET規格(QN3120M6N Datasheet)

2.  Power MOSFET的寄生輸入電容(Ciss)遠大於Signal MOSFET，一個是約1800pF、另一個則是約50pF。

Ciss是閘極-源極間電容CGS和閘極-汲極間電容CGD合計的電容，是從輸入功率方來看的MOSFET全體電容。

由於使MOSFET動作必須驅動（charge充電）此電容，因此Ciss是討論輸入功率元件驅動能力或損失時的參數。

圖12. MOSFET-寄生電容

由Datasheet可得知，雖然Power MOSFET導通電阻很小、可承受較高電流，但因為Power MOSFET元件特性，相對的其寄生輸入電容(Ciss)會遠比於Signal MOSFET來的大。

*雖然Power MOSFET雖然帶來許多好處，但其寄生輸入功率電容Ciss(Cgs+Cgd)電容值大(數千pF)，會導致開關速度降低，因此必須要搭配MOSFET driver，才能達到快速開/關，有關Driver相關之後可再寫一篇介紹。

由Power MOSFET與Signal MOSFET列表比較，如下表所示。Power MOSFET是最常見的功率半導體（power semiconductor device），具備了較低的導通電阻值、較大的電流負荷能力、較高的輸入阻抗、 較低的驅動功率、較快的切換速度、較低的切換損耗及較大的安全操作區、容易實施的並聯技術，但相對的，需要驅動MOS的寄生輸入電容Ciss也較大。

參考文獻: 

https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%87%91%E5%B1%AC%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%89%A9%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94%E5%A0%B4%E6%95%88%E9%9B%BB%E6%99%B6%E9%AB%94

https://www.mouser.com/datasheet/2/149/2N7002MTF-106007.pdf

https://html.alldatasheet.net/html-pdf/1242183/UPI/QN3120M6N/277/4/QN3120M6N.html