功率MOSFET输出电容的非线性特性

作者：刘业瑞,四川大学计算机学院;刘松,万国半导体元件（深圳）有限公司时间：2020-10-22来源：电子产品世界收藏

编者按：本文主要分析了功率MOSFET的输出电容和米勒电容的定义以及他们非线性特性的表现形态，探讨了影响这二个电容的相关因素，阐述了耗尽层电荷浓度非线性变化以及耗尽层厚度增加输出电容和米勒电容的非线性特性的原因。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202010/419519.htm

1、前言

功率MOSFET的数据表中有三个寄生电容：输入电容Ciss、输出转移电容Crss和输出电容Coss。其中，Crss为栅极G和漏源D电容，这个电容也称米勒电容；栅极和源极的电容为CGS，漏极D和源极的电容为CDS，Ciss等于CGS与Crss之和，Coss等于CDS与Crss之和。Ciss、Crss和Coss是功率MOSFET非常重要的三个动态参数，Ciss和Crss影响着开关过程中电压和电流交叠的开关损耗，以及开关过程的dV/dt和di/dt；Coss影响电容关断过程中的dV/dt，以及开通损耗。但是，Crss和Coss还有一个非常重要的特性，就是非线性特性，这个特性会影响功率MOSFET的开关性能，比如开关过程中的栅极震荡，功率MOSFET并联工作的栅极震荡，还会影响开关损耗以及桥式电路上下管死区时间计算的精度。[1-5]本文将分析Crss和Coss的非线性特性。

图1 AOT10N60的电容特性

2、Coss的非线性特性

Coss和Crss电容非线性特性就是指：当所加的偏置电压VDS发生改变的时候，它们的电容值也会发生改变，表现出非线性的特性，如图1所示。Coss和Crss的具有同样的特性，因此，下面主要以Coss为例，来进行说明。

当电容二端的电压增加时，就会形成对电容的充电电流，电容二个电极上的电荷量也会增加，因此，电容二端电压的变化是通过二个电极上的电荷的变化来实现。电容值的大小，和电容二个电极的面积A成正比，和二个电极的距离d成反比，和介质介电常数e成正比：

功率MOSFET的输出电容Coss实际上是漏极D和源极S的PN结的电容，漏极D和源极S加上电压VDS，PN结的耗尽层加宽，耗尽层、也就是空间电荷区内部的电荷数量增加，形成对PN结的充电电流，因此PN结的这个特性表现为电容的特性，耗尽层在P区、N区里面的边界，就相当于电容的二个电极。

图2 功率MOSFET结构

功率MOSFET外加电压VDS，输出电容Coss的电荷数量的改变，是通过耗尽层厚度的改变来实现。外加电压VDS增加，耗尽层厚度也相应的增加。在一定的外加偏置电压下，如果偏置电压发生非常小的变化，耗尽层厚度基本可以认为保持不变，耗尽层电荷的变化量与电压的变化量成正比，那么，在此外加偏置电压下，输出电容Coss为：

外加电压VDS比较小时，耗尽层厚度也比较小，P区、N区初始的掺杂浓度相对比较高，自由导电的电子和空穴浓度比较高，因此，即使外加电压VDS发生很小的变化DV，空间电荷区也会产生非常大的电荷变化DQ，由公式2可以得到，当偏置电压VDS比较小时，输出电容Coss电容值非常大。

外加电压VDS增加到一定值，耗尽层厚度也增加到一定值，P区、N区的自由导电的电子和空穴浓度被大量消耗，浓度非常低，相当于低偏置电压VDS，为了得到同样的空间电荷区电荷变化值DQ，就需要更大的外加电压VDS的变化值DV1。由公式2可以得到，同样DQ ，DV1>DV，当偏置电压VDS大时，Coss电容值就会变小。

同时，偏置电压VDS大时，耗尽层厚度增大，相当于Coss电容的二个电极的距离增加，因此，会导致Coss电容值进一步的降低。

对于新型超结结构的高压功率MOSFET，由于采用横向耗尽电场，导致Coss和Crss的非特性更为严重，更容易产生各种应用的问题。