作者：德州儀器應用工程師 John Wallace
多功率金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）使用一層薄薄的氧化物作為絕緣層，分隔閘極與電晶體的主動區域。如同用於製造微處理器的MOSFET元件，功率MOSFET的閘極氧化層也非常容易因靜電放電（ESD，electrostatic discharge）而損壞。ESD可能造成閘極氧化物崩潰等嚴重故障，或元件輕度毀損。
部分離散式功率MOSFET與電源塊MOSFET (power-block MOSFET)整合 ESD保護結構，能避免ESD造成MOSFET意外故障。本文主要說明用於功率MOSFET之不同ESD防護類型，探討這類元件的設計考量。
TI MOSFET採用的ESD結構
離散式功率MOSFET與電源塊MOSFET的ESD保護可分為三大類：無ESD保護、單端ESD保護以及背對背ESD保護。
無ESD保護
顧名思義，這一類並無ESD防護，也是TI與其他製造商多數功率MOSFET與電源塊MOSFET產品的主要類型。雖然這類MOSFET無整合閘極ESD結構，但仍具有低至150V、高達3,000V的ESD耐受能力。ESD耐受能力與元件密度與電荷有關，亦即晶粒尺寸越大，耐受能力也越高。
設計人員應確保MOSFET的ESD耐受能力滿足應用所需，並視需要增添外部ESD保護元件。圖一為 TI無整合 ESD 保護之 N 通道與 P 通道 MOSFET 的電路圖。
圖一：無ESD保護的MOSFET：(a) N通道與(b) P通道
單端ESD保護
第二類為配備閘極至源極單端ESD保護二極體的N通道與P通道MOSFET。此類元件的ESD額定值可達4,000V以上。功率MOSFET閘極的ESD保護多半會造成閘極漏電流增加，但是部分元件，如TI 的CSD25480F3，目前可實現低至25nA的漏電流，為業界領先規格，性能甚至比無閘極ESD保護的元件更好。
在電池應用中，備用電源與運行時間極為重要，而TI的MOSFET閘極漏電流低，是非常適合的選擇。設計人員須謹慎評估操作條件，確保ESD二極體並非處於順向偏壓，否則會產生導通情形。若無法避免順向偏壓（forward bias），建議在電路中配置限流之外部閘極電阻。圖二為 N 通道與 P 通道電路圖，並特別標示出單端ESD保護二極體。
圖二：具有單端ESD保護之MOSFET：(a) N通道與(b) P通道
背對背ESD保護
最後一類為具有背對背 ESD 保護結構之 N 通道與 P 通道 MOSFET。這類元件的ESD耐受能力為400V至3,250V不等。在背靠背的ESD結構中，無須擔心順向偏壓的問題，但此類MOSFET的閘極漏電流高於具有單端ESD保護之MOSFET，在電池應用中可能是一項缺點。圖三顯示N通道與P通道電路圖，並特別標示出背靠背ESD保護元件。
圖三：具有背靠背ESD保護之MOSFET：(a) N通道與(b) P通道
TI MOSFET產品之ESD額定值與漏電流
表一針對TI各類N通道與P通道MOSFET，列出在人體放電模式（HBM，human body model）與充電裝置模式（CDM，charged device model）下的ESD額定值與閘極漏電流最大值。
|
零件編號 |
N/P通道 |
ESD保護類別 |
HBM ESD額定值(V) |
CDM ESD額定值(V) |
IGSS最大值(nA) |
|
N |
無 |
600 |
2,000 |
100 |
|
|
P |
無 |
250 |
1,500 |
-100 |
|
|
N |
單端 |
7,000 |
2,000 |
50 |
|
|
P |
單端 |
4,000 |
1,000 |
-50 |
|
|
N |
背對背 |
3,000 |
2,000 |
5,000 |
|
|
P |
背對背 |
2,000 |
2,000 |
10,000 |
表一：具有各類ESD保護之TI MOSFET額定值
總結
離散式功率MOSFET與電源塊MOSFET提供不同的閘極ESD保護，各類提供的ESD防護等級與產生的閘極漏電流也不盡相同、各有優缺。設計人員若能了解這些特性，便能在為應用選擇MOSFET時，做出最適合的選擇。
建議在閱讀 TI MOSFET 與電源塊產品規格表時，不妨瀏覽第一頁的電路示意圖，了解元件所含的ESD保護類型。
其他資源
- TI MOSFET支援與訓練中心
- 閱讀應用報告《靜電放電（ESD）》
