半导体器件基础09：MOS管特性和应用（1）
说在开头：关于泡利不相容
又一次要聊到泡利不相容了，这说明它在量子论中是多么地重要。
泡利来到了哥本哈根理论物理研究所，玻尔给了他一个苦差事：研究反常赛曼效应。正常的赛曼效应光谱在磁场下会分裂成三条；可反常赛曼效应的光谱远多于三条，间距也不一致，这样用过去的计算方法就对不上了。泡利发现反常塞曼效应的光谱决定于最外层电子，里边轨道的电子都挤满了，而只要排满了就不会引起反常赛曼效应。玻尔老师说，电子总是喜欢占据能量最低的坑，那为什么大家不是都挤在最低的坑里呢？是什么导致了现在分层的排列方式？里德伯早先提出过原子核外的电子分布每层只能排下2n²个，n就是电子层数的取值，那2又是从哪里来的呢？这么多问题一股脑儿排在那里，泡利那聪明绝顶的脑袋也一时想不到答案。
泡利觉得电子应该还有一个现在还不知道的量子值，这个值具有二值性（举个栗子：电子不是负的，就是正的），那么电子就具有四个量子数：主量子数、磁量子数、角量子数，还有第四个量。但是第四个量子数到底是有什么物理含义呢？现在一时半会也没人搞明白。泡利就用他那聪明的脑瓜子想：不妨先假设一个量进去代到公式里算算看。这么一算，泡利就豁然开朗了。原来元素周期表是这么一回事。（泡利不相容的原则已经讲过好几次啦，具体请参考《关于PN结的那些事》中解释的泡利不相容原理）
泡利把他的成果告诉了大家，虽然元素周期问题得到了完美的解释，但是大家也有疑问：你到底能不能告诉我们，这第四个量到底是个啥东东？为什么只能取两个值？泡利自己也不知道这东西是啥玩意。但是有个人说他能说清楚，这家伙叫克罗尼格，他觉得这第四个量是电子的自旋。电子不仅绕着原子核公转，还有自转，他拿了狭义相对论计算了一番，然后就兴奋的跑去跟泡利说，泡利一听就又发挥出他那小钢炮本色：电子会自转，你老糊涂了吧？电子要是自转的话速度会远超光速。弄得这个克罗尼格灰头土脸，自卑不已，也就没有了信心写论文发表。过了半年，荷兰物理学家埃伦费斯特的两个学生：乌伦贝克和高斯密特，他们对老师提出这第四个量就是电子的自旋。埃伦费斯特一听，唉，这个想法不错啊，值得发表，赶快写论文去吧。这俩就屁颠屁颠跑去写了个豆腐干大小的文字，请老师推荐发给《自然》杂志，老师一看：一页都不到，字是少了一点，不过先发了再说吧。过了一个星期他们觉得还是放心不下，又去找了洛伦兹，洛伦兹老爷子辛苦了好几天给他们计算了下，脑袋都大了：要是电子会自旋，那么其表面速度将达到光速的10倍以上。这两位心都凉了，赶紧去找老师想把豆腐干要回来，要是发表出来，可就闹大笑话了。哪知他们的老师早就把论文寄出去了，还安慰他们：年轻人出点丑有啥要紧的，你们俩本来也没几个钱的面子，丢就丢吧。
论文一经发表，马上就有人表示赞同，谁这么没眼界啊？原来是二师兄海森堡。海森堡还给他们俩写了信，觉得他们的想法不错，就是里面的一个因子2有点问题，这俩人也答不上来。这时爱因斯坦刚好到莱顿大学讲学，正好碰上这俩年轻人，给他们指点了一番：这么计算就能把不同自旋方向的能量差给算出来了。泡利看到这篇论文，立刻火冒三丈：这玩意怎么又跑出来了？1926年，英国物理学家托马斯发现这些计算里有个小错误，修正了之后，就可以得到那个因子2，解决了海森堡的疑问。
其实粒子的自旋与宏观的自旋是完全不同的，大家开始以为粒子真的是像个陀螺一样自转，后来发现并不是这么回事。粒子的角动量是粒子的内禀特性，即这是粒子的本性之一，没法改变；自旋有半数自旋和整数自旋之分，一直到1940年泡利才把这事给搞清楚了。最亏的还是那个克罗尼格，他得知这个消息后，估计心里悔的有一万头草泥马奔过。
现在我们已经搞清楚了：电子的排列是有规律的，在原子同层轨道上没有任何两个电子可以拥有完全相同的量子态。泡利不相容可以扩展到一大类粒子：费米子（举个栗子：电子，质子，中子等）；费米子的自旋都是半整数，自旋整数的叫做玻色子（举个栗子：光子，胶子等），玻色子不适用泡利不相容原理。泡利不相容原理算是旧量子论的最高成就了，不过旧量子论快就要混不下去了。（参考自：吴京平-无中生有的世界）
- MOS管参数
1. VGS(th)：增强型MOS管的阈值开启电压，是在一定VDS条件下，开始出现ID电流时所需的VGS电压；
——不同的芯片，对VGS(th)的条件有所不同，如下图所示，VGS阈值电压是在一定测试条件下给出的，使用时需注意。
2. VGS(off)：耗尽型MOS管的阈值关闭电压，是在一定VDS条件下，使得ID电流近似等于0时的VGS电压；
——同VGS(th)一样，厂家也是给出该值在特定测试条件下的值。
3. RGS(DC)：在VDS=0时，VGS电压与IG电流的比值；
——该值表示MOS管的直流输入电阻，经常用栅极电流表示。
4. gm（gfs）：低频夸导，VDS为常数时，D极电流的微变量与引起这个变化的VGS电压微变量之比；跨导是衡量MOS管VGS电压对ID电流控制能力的一个重要参数；
——单位VGS变化引起的ID极电流变化，单位为S，例如gfs=3S，表示：VGS变化1V，那么漏电流会增加3A；该参数会用于开关电源电路、缓启动电路MOS管的开启过程分析。
5. RDS(on)：MOS管处于导通状态下的等效阻抗，导通电阻越大，则开启状态下的损耗越大；
——如上一章节分析，RDS(on)是MOS管在未进入饱和区之前的导通阻抗，此时MOS管DS两端的电压，随着电流线性增加，我们将VDS随ID增加的斜率等效成一个电阻；
1, 如下图所示，RDS(on)呈正温度特性：随温度的上升，电阻增加；温度上升对沟道“自由电子”电荷浓度影响不大，但会增加原子振动频率和幅度，阻碍电流；温度特性更近于金属；
2, RDS(on)电阻大小与施加在GS的电压成反比，GS电压越大，则沟道中“自由电子”电荷浓度增加，导通阻抗变小。
6. MOS管寄生电容容量值越小，Qg越小，开关速度越快，开关损耗越小；如同金属-氧化物-半导体电容是MOS管结构的核心，MOS管寄生电容和QG是MOS管应用的核心；
——寄生电容是MOS管结构中不可避免会存在的，主要是G极与衬底以及和S、D端之间的寄生电容；如下图所示，我们可以清晰的看到MOS结构中各寄生电容，不同结构MOS管之间有很大的差别。
1, CGS：G极与S极之间，以及G极与衬底之间靠近S端的平板电容之和；
2, CGD：G极与D极之间，以及G极与衬底之间靠近D端的平板电容之和；
3, CDS：由于S与衬底连接，所以CDS为D端与衬底之间的PN结电容。
4, Ciss：输入电容；将S和D极短接，测试G和S之间电容，zCiss=CGS+CGD；当输入电容充电/放电至阈值电压后，MOS管才能开启/关断；
——Ciss会增加驱动功率，高频应用时会影响开关速度，降低驱动电路的输出阻抗有利于提高输出电流，提高开关速度。
5, Coss：输出电容；将S和G短接，测试D和S之间电容，Coss=CDS+CGD；
6, Crss：反向传输电容；测试D和G之间电容，Crss=CGD；该电容称为米勒电容，它影响开关的上升/下降时间，关断延时时间。
——米勒电容的大小决定了MOS管开关时米勒平台时间的长短，米勒平台对于MOS管来说，是内部损耗较大的一个阶段（下面章节分析）。
7, QG：G极的总电荷量，MOS管达到导通状态时所需的电荷量；
——既然已经有CGD,CGS参数，而Q=C*V，就能轻松计算Q的值，为什么需要单独的Q参数？这个问题值得深入思考；事实上通过后续MOS缓启动电路开启过程的分析，我们就会知道：QGD与CGD和QGS与CGS之间的关系是存在实际物理意义上差别的，不可等价计算。
8, QGS：G极/S极之间所需的电荷量；
——打开MOS管并使MOS管达到最大通流能力所需的电荷量，后续章节具体分析。
9, QGD：G极/D极之间所需的电荷量；
——QGD决定了米勒平台维持时间，后续章节具体分析。
10, Q = C*V，开关时间t=Q/I，电荷容量越大，所需的开关时间T也越大，开关损耗越大。
——开关损耗，主要是MOS管在开启或关闭时间段内，由于此时MOS管存在大电流，且DS之间存在高压降，所以存在较大的损耗，减小损耗的关键在于：缩短开关过程时间。
7. MOS管内部寄生二极管；
——我们从“MOS管原理”章节知道寄生二极管对于MOS管来说是不可避免的，所以它必然会导致MOS管某一方向的导通性，例如NMOS寄生二极管方向是：S->D；PMOS寄生二极管方向就是：D->S；在实际应用中，必须注意到这一点，否则MOS管将变成二极管，失去它应有的“可控开关”作用。
1, 当G/S极电压VGS=0V时，取决于内部二极管的正向V-I特性；
2, 当G/S极电压VGS加正向偏压，即MOS管处于导通状态时，与导通阻抗特性一致。
——二极管的V-I特性与MOS管本身是否正常开启有关，如果MOS管没有开启（VGS
8. IDSS：D极与S极之间的漏电流，VGS=0V，D与S之间加VDDS；
9. IGSS：G极与S极之间的漏电流，VDS=0V，G与S之间加VGSS；
10. IDM：脉冲D极电流，反映器件处理脉冲电流的高低，对于一定的VGS电压，MOS管导通后，存在最大的漏电流。如下图，如果工作点位于可变电阻区域内，漏电流增大，会提高VDS电压，因此增加导通损耗，长时间工作会导致器件失效；
11. V(BR)DSS：在特定温度和GS短接情况下，流过D极电流达到一个特定值时的DS电压，雪崩击穿电压，V(BR)DSS是正温度系数；
12. IAS：单发雪崩电流，峰值漏极电流；
13. EAS：单发雪崩能量，一次雪崩期间所能承受的能量极限(Tch<150c)；
14. EAR：连续雪崩能量，所能承受反复出现雪崩的能力极限(Tch<150c)；
——MOS管的本质也是由PN结构成，所以必然会存在加反压造成雪崩的情况，雪崩不造成器件损坏的必要条件是：其结电压不能超过最大允许电压。
15. Tch：MOS管沟道上限温度；
16. Tstg：器件保存温度范围；
17. Rthjc/Rthja：器件热阻，表示热传导难易程度，热阻值越小，表示散热性能越好；如果没有相关参数，可以用右侧公式估算；
——我们可以将热阻等价成电阻，热耗等价成电流，温度等价成电压；那么我们将得到一个公式：T(j-c) = Rthjc * P；这就是稳态系统散热的计算公式。
