功率MOSFET輸出電容為何會隨著外加電壓增加而降低?

功率MOSFET的輸出電容是非常重要的一個參數,讀過功率MOSFET數據表的工程師應該注意到:輸出電容Coss會隨著外加電壓VDS的變化而變化,表現出非線性的特性,那麼為什麼會有這樣的特性?

 眾所周知,當電容二端的電壓增加時,就會形成對電容的充電電流,電容二個電極上的電荷量也會增加,因此,電容二端電壓的變化是通過二個電極上的電荷的變化來實現。 電容值的大小,和電容二個電極的面積A成正比,和二個電極的距離d成反比,和介質介電常數e成正比:



功率MOSFET的輸出電容Coss實際上是漏極D和源極S的PN結的電容,漏極D和源極S加上電壓VDS,PN結的耗盡層加寬,耗盡層、也就是空間電荷區內部的電荷數量增加,形成對PN結的充電電流,因此,這個特性表現出電容的特性,耗盡層在P區、N區內部的邊界,就相當於電容的二個電極。

圖1:功率MOSFET結構

 

圖2:功率MOSFET內部PN結耗盡層

 

功率MOSFET外加電壓VDS,輸出電容Coss的電荷數量的改變,是通過耗盡層厚度的改變來實現。 外加電壓VDS增加,耗盡層厚度也相應的增加。 在一定的外加偏置電壓下,如果偏置電壓發生非常小的變化,耗盡層厚度基本可以認為保持不變,耗盡層電荷的變化量與電壓的變化量成正比,那麼,在此外加偏置電壓下,輸出電容Coss為:



 

外加電壓VDS比較小時,耗盡層的厚度也比較小,P區、N區初始的摻雜濃度相對比較高,自由導電的電子和空穴濃度比較高,因此,即使外加電壓VDS發生很小的變化dV,空間電荷區也會產生非常大的電荷變化dQ,由公式2可以得到,偏置電壓VDS 比較小時,輸出電容Coss電容值非常大。

圖3:不同VDS電壓的PN結耗盡層


外加電壓VDS增加到一定值,耗盡層厚度也增加到一定值,P區、N區的自由導電的電子和空穴濃度被大量消耗,濃度非常低,相對於低偏置電壓VDS,為了得到同樣的空間電荷區電荷變化值dQ,就需要更大的外加電壓VDS的變化值dV1。 由公式2可以得到,同樣的dQ,dV1>dV,因此,當偏置電壓VDS大時,Coss電容值就會變小。

 同時,偏置電壓VDS大時,耗盡層的厚度增大,相當於Coss電容的二個電極的距離增加,因此,會導致Coss電容值進一步的降低。

 

圖4:AOT10N60的電容特性

 

綜上所述:功率MOSFET的輸出電容Coss會隨著外加電壓VDS的增加而降低,從而表現出非線性的特性; 同樣,Crss電容具有相同的特性。

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