一、MOS管寄生电容概述
MOS管存在三个关键的寄生电容参数,即输入电容Ciss、输出电容Coss和反向传输电容Crss。这些寄生电容的形成与功率半导体的结构和工作原理紧密相关。
二、功率半导体基础
功率半导体的核心在于PN结,从二极管、三极管到场效应管,均是基于PN结特性衍生出的不同应用。场效应管分为结型和绝缘栅型,其中绝缘栅型又被称为MOS管(MetalOxideSemiconductor)。
三、MOS管分类
依据在不通电情况下反型层是否存在,MOS管可分为增强型与耗尽型。


四、寄生电容形成机制
(一)势垒电容
当N型和P型半导体结合后,因浓度差使得N型半导体的电子部分扩散至P型半导体的空穴中,在结合面处的两侧会形成空间电荷区。该空间电荷区所产生的电场会阻止扩散运动的继续进行,直至扩散运动达到平衡状态。
(二)扩散电容
在外加正向电压时,靠近耗尽层交界面的非平衡少子浓度较高,而远离该交界面的非平衡少子浓度则较低,浓度会从高到低逐渐衰减直至为零。当外加正向电压升高时,非平衡少子的浓度及其浓度梯度均会增大;反之,当外加电压降低时,情况则相反。这一过程中电荷的积累和释放与电容器的充放电过程类似,因而被称为扩散电容。
五、MOS管寄生电容结构影响因素
MOS管的多晶硅宽度、沟道与沟槽宽度、G极氧化层厚度、PN结掺杂轮廓等因素均会对寄生电容产生影响。


六、寄生电容参数定义
根据MOS管规格书,三个电容参数的定义如下:
输入电容Ciss=Cgs+Cgd
输出电容Coss=Cds+Cgd
反向传输电容Crss=Cgd


这些寄生电容受温度变化的影响较小,因此驱动电压和开关频率对MOS管的开关特性有着更为明显的影响。
七、寄生电容减小方法
(一)增加初始电容值法
通过增加初始电容值,可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。
(二)采用驱动电缆技术
运用驱动电缆技术有助于减小寄生电容。
(三)减少引线距离和集中接地
减少引线距离并采用集中接地的方式,能够有效减少寄生电容。
(四)优化电路设计
优化电路设计,降低信号线与MOS管间的耦合程度,并加入合适的滤波电路,可减少寄生电容的影响。
(五)注意布局和散热设计
在MOS管的布局和散热设计上多加注意,避免因高温而导致寄生电容发生变化。
(六)合理布局
在电路设计中,合理布局是减小寄生电容产生的关键。例如,在PCB设计中,可采用屏蔽和隔离的方法来减少寄生电容。
(七)选择合适材料
不同材料具有不同的介电常数,选择合适的材料可以减小寄生电容。如在高频电路中,选择低介电常数的材料可降低寄生电容的影响。
(八)使用补偿电路
在某些特殊场景下,可通过使用补偿电路来消除或减小寄生电容的影响。比如在放大器电路里,可采用补偿电路抵消输入输出间的寄生电容。
(九)减小漏区面积与周长
适当减小漏区的面积与周长,能有效降低结电容。
(十)栅极串联电阻
在MOS管开关电路或驱动电路中,常在MOS管栅极串联电阻,此举不仅能限制驱动电流、转移驱动器功率损耗、降低EM辐射和干扰,还能抑制MOS管栅源极的寄生震荡。
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