MOS管寄生电容是如何形成的?

本文详细解读了MOS管规格书中输入电容Ciss、输出电容Coss和反向传输电容Crss的含义,涉及形成原理、结构因素,并强调了它们在开关特性中的作用,以及温度对其影响的相对较小性。
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MOS管规格书中有三个寄生电容参数,分别是:输入电容Ciss、输出电容Coss、反向传输电容Crss。该三个电容参数具体到管子的本体中,分别代表什么?是如何形成的?

功率半导体的核心是PN结,从二极管、三极管到场效应管,都是根据PN结特性所做的各种应用。场效应管分为结型、绝缘栅型,其中绝缘栅型也称MOS管(Metal Oxide Semiconductor)

根据不通电情况下反型层是否存在,MOS管可分为增强型、耗尽型——

寄生电容形成的原因

1. 势垒电容:功率半导体中,当N型和P型半导体结合后,由于浓度差导致N型半导体的电子会有部分扩散到P型半导体的空穴中,因此在结合面处的两侧会形成空间电荷区(该空间电荷区形成的电场会阻值扩散运动进行,最终使扩散运动达到平衡);

2.扩散电容:当外加正向电压时,靠近耗尽层交界面的非平衡少子浓度高,远离非平衡少子浓度低,且浓度自高到底逐渐衰减直到0。当外加正向电压增大时,非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大,外加电压减小时,变化相反。该现象中电荷积累和释放的过程与电容器充放电过程相同,称为扩散电容。

MOS管寄生电容结构如下,其中,多晶硅宽度、沟道与沟槽宽度、G极氧化层厚度、PN结掺杂轮廓等都是影响寄生电容的因素

对于MOS管规格书中三个电容参数的定义,

输入电容Ciss = Cgs + Cgd;

输出电容Coss = Cds + Cgd;

反向传输电容Crss = Cgd

这三个电容几乎不受温度变化的影响,因此,驱动电压、开关频率会比较明显地影响MOS管的开关特性,而温度的影响却比较小。

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### MOSFET寄生参数的影响 MOSFET内部存在多种寄生元件,其中最为显著的是寄生电容寄生电感。这些寄生效应会对电路性能造成不利影响。 #### 寄生电容的影响 MOSFET中的主要寄生电容有栅源极间电容(Cgs),栅漏极间米勒电容(Cgd)以及源漏极之间电容(Cds)[^1]。当频率升高时,Cgs会影响驱动能力;而Cgd则会引入反馈机制,在高频条件下可能引起振荡现象。此外,较大的米勒电容还会增加开关损耗并降低效率。 #### 寄生电感的影响 除了上述提到的寄生电容外,实际应用中还存在着不可忽视的寄生电感问题。特别是在高速切换过程中,由于电流快速变化(dI/dt),即使是很小量级的杂散电感也会引发明显的感应电动势(Ldi/dt),进而形成电压尖峰或者电磁干扰(EMI)等问题。 ### 解决方案 针对由寄生参数带来的负面影响,可以采取如下措施: 对于因寄生电容造成的延迟与功耗增大情况,优化PCB布局布线能够有效减小走线长度及其间的耦合面积来减少不必要的额外容量负载;选用低输入电荷(Qg)特性的功率晶体管也有助于缓解这一状况。 面对寄生电感所引起的过冲及噪声辐射困扰,则需注重电源层/地平面的设计合理性——通过加宽供电路径、缩短回路距离等方式尽可能抑制瞬态响应期间产生的反向电动势;另外合理配置去耦电容器同样重要,它们可以在一定程度上吸收瞬间脉动所带来的冲击能量,维持系统的稳定运行状态。 ```python # Python代码示例用于模拟简单RC滤波器效果减轻EMI import numpy as np from scipy import signal def rc_lowpass(t, f_cutoff): tau = 1 / (2 * np.pi * f_cutoff) b,a = signal.butter(1,[tau],btype='low',analog=True,output='ba') return t,b,a time = np.linspace(0,1e-3,num=1000)# 时间轴定义 freq_cuttoff = 1e6 # 截止频率设定为1MHz _,numerator,denominator = rc_lowpass(time,freq_cuttoff) output_signal = signal.lfilter(numerator, denominator, input_noisy_signal) ```
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