常用功率器件MOSFET的基礎(chǔ)知識(shí)介紹

我們都懂得如何利用二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，但是，我們只能對(duì)其進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，而不能逐漸控制信號(hào)流。此外，二極管作為開(kāi)關(guān)取決于信號(hào)流的方向;我們不能對(duì)其編程以通過(guò)或屏蔽一個(gè)信號(hào)。對(duì)于諸如“流控制”或可編程開(kāi)關(guān)之類(lèi)的應(yīng)用，我們需要一種三端器件和雙極型三極管。我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)Bardeen & Brattain,是他們偶然之間發(fā)明了三極管，就像許多其它偉大的發(fā)現(xiàn)一樣。

結(jié)構(gòu)上，它由兩個(gè)背靠背的結(jié)實(shí)現(xiàn)(這不是一筆大交易，早在Bardeen之前，我們可能就是采用相同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了共陰極)，但是，在功能上它是完全不同的器件，就像一個(gè)控制發(fā)射極電流流動(dòng)的“龍頭”-操作龍頭的“手”就是基極電流。雙極型三極管因此就是電流受控的器件。

場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)盡管結(jié)構(gòu)上不同，但是，提供相同的“龍頭”功能。差異在于：FET是電壓受控器件;你不需要基極電流，而是要用電壓實(shí)施電流控制。雙極型三極管誕生于1947年，不久之后一對(duì)杰出的父子Shockley和Pearson就發(fā)明了(至少是概念)FET.為了與較早出現(xiàn)的雙極型“孿生兄弟”相區(qū)別，F(xiàn)ET的三個(gè)電極分別被稱(chēng)為漏極、柵極和源極，對(duì)應(yīng)的三極管的三個(gè)電極分別是集電極、基極和發(fā)射極。FET有兩個(gè)主要變種，它們針對(duì)不同類(lèi)型的應(yīng)用做了最優(yōu)化。JFET(結(jié)型FET)被用于小信號(hào)處理，而MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體FET)主要被用于線性或開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用。

他們?yōu)槭裁匆l(fā)明功率MOSFET?

當(dāng)把雙極型三極管按照比例提高到功率應(yīng)用的時(shí)候，它顯露出一些惱人的局限性。確實(shí)，你仍然可以在洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)和電冰箱中找到它們的蹤影，但是，對(duì)我們這些能夠忍受一定程度的家用電器低效能的一般消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，這些應(yīng)用都是低功率應(yīng)用。在一些UPS、電機(jī)控制或焊接機(jī)器人中仍然采用雙極型三極管，但是，它們的用途實(shí)際上被限制到小于10KHz的應(yīng)用，并且在整體效率成為關(guān)鍵參數(shù)的技術(shù)前沿應(yīng)用中，它們正加速退出。

作為雙極型器件，三極管依賴(lài)于被注入到基極的少數(shù)載流子來(lái)“擊敗”(電子和空穴)復(fù)合并被再次注入集電極。為了維持大的集電極電流，我們要從發(fā)射極一側(cè)把電流注入基極，如果可能的話，在基極/集電極的邊界恢復(fù)所有的電流(意味著在基極的復(fù)合要保持為最小)。

但是，這意味著當(dāng)我們想要三極管打開(kāi)的時(shí)候，在基極中存在復(fù)合因子低的大量少數(shù)載流子，開(kāi)關(guān)在閉合之前要對(duì)它們進(jìn)行處理，換言之，與所有少數(shù)載流子器件相關(guān)的存儲(chǔ)電荷問(wèn)題限制了最大工作速度。FET的主要優(yōu)勢(shì)目前帶來(lái)了一線曙光：作為多數(shù)載流子器件，不存在已存儲(chǔ)的少數(shù)電荷問(wèn)題，因此，其工作頻率要高得多。MOSFET的開(kāi)關(guān)延遲特性完全是因?yàn)榧纳娙莸某潆姾头烹姟?/p>

人們可能會(huì)說(shuō)：在高頻應(yīng)用中需要開(kāi)關(guān)速度快的MOSFET,但是，在我的速度相對(duì)較低的電路中，為什么要采用這種器件?答案是直截了當(dāng)?shù)模焊纳菩省Ｔ撈骷陂_(kāi)關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間間隔期間，既具有大電流，又具有高電壓;由于器件的工作速度更快，所以，所損耗的能量就較少。在許多應(yīng)用中，僅僅這個(gè)優(yōu)勢(shì)就足以補(bǔ)償較高電壓MOSFET存在的導(dǎo)通損耗稍高的問(wèn)題，例如，如果不用它的話，頻率為150KHz以上的開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)根本就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

雙極型三極管受電流驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上，因?yàn)樵鲆?集電極和基極電流之比)隨集電極電流(IC)的增加而大幅度降低，我們要驅(qū)動(dòng)的電流越大，則我們需要提供給基極的電流也越大。一個(gè)結(jié)果使雙極型三極管開(kāi)始消耗大量的控制功率，從而降低了整個(gè)電路的效率。

使事情更糟糕的是：這種缺點(diǎn)在工作溫度更高的情況下會(huì)加重。另外一個(gè)結(jié)果是需要能夠快速泵出和吸收電流的相當(dāng)復(fù)雜的基極驅(qū)動(dòng)電路。相比之下，(MOS)FET這種器件在柵極實(shí)際上消耗的電流為零;甚至在125°C的典型柵極電流都小于100nA.一旦寄生電容被充電，由驅(qū)動(dòng)電路提供的泄漏電流就非常低。此外，用電壓驅(qū)動(dòng)比用電流驅(qū)動(dòng)的電路簡(jiǎn)單，這正是(MOS)FET為什么對(duì)設(shè)計(jì)工程師如此有吸引力的另外一個(gè)原因。

另一方面，其主要優(yōu)點(diǎn)是不存在二次損壞機(jī)制。如果嘗試用雙極型三極管來(lái)阻塞大量的功率，在任何半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的不可避免的本地缺陷將扮演聚集電流的作用，結(jié)果將局部加熱硅片。因?yàn)殡娮璧臏囟认禂?shù)是負(fù)的，本地缺陷將起到低阻電流路徑的作用，導(dǎo)致流入它的電流更多，自身發(fā)熱越來(lái)越多，最終出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的破壞。相比之下，MOSFET具有正的電阻熱系數(shù)。

另一方面，隨著溫度的升高，RDS(on)增加的劣勢(shì)可以被感察覺(jué)到，由于載子移動(dòng)性在25°C和125°C之間降低，這個(gè)重要的參數(shù)大概要翻番。再一方面，這同一個(gè)現(xiàn)象帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)：任何試圖像上述那樣發(fā)生作用的缺陷實(shí)際上都會(huì)從它分流-我們將看到的是“冷卻點(diǎn)”而不是對(duì)雙極器件的“熱點(diǎn)”特性!這種自冷卻機(jī)制的同等重要的結(jié)果是便于并聯(lián)MOSFET以提升某種器件的電流性能。

雙極型三極管對(duì)于并聯(lián)非常敏感，要采取預(yù)防措施以平分電流(發(fā)射極穩(wěn)定電阻、快速響應(yīng)電流感應(yīng)反饋環(huán)路)，否則，具有最低飽和電壓的器件會(huì)轉(zhuǎn)移大部分的電流，從而出現(xiàn)上述的過(guò)熱并最終導(dǎo)致短路。

要注意MOSFET,除了設(shè)計(jì)保險(xiǎn)的對(duì)稱(chēng)電路和平衡柵極之外，它們不需要其它措施就可以被并聯(lián)起來(lái)，所以，它們同等地打開(kāi)，讓所有的三極管中流過(guò)相同大小的電流。此外，好處還在于如果柵極沒(méi)有獲得平衡，并且溝道打開(kāi)的程度不同，這仍然會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)條件下存在一定的漏極電流，并且比其它的要稍大。

對(duì)設(shè)計(jì)工程師有吸引力的一個(gè)有用功能是MOSFET具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：在源極和漏極之間存在“寄生”體二極管。盡管它沒(méi)有對(duì)快速開(kāi)關(guān)或低導(dǎo)通損耗進(jìn)行最優(yōu)化，在電感負(fù)載開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，它不需要增加額外的成本就起到了箝位二極管的作用。

MOSFET結(jié)構(gòu)

JFET的基本想法(圖1)是通過(guò)調(diào)節(jié)(夾斷)漏-源溝道之間的截面積來(lái)控制流過(guò)從源極到漏極的電流。利用反相偏置的結(jié)作為柵極可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn);其(反相)電壓調(diào)節(jié)耗盡區(qū)，結(jié)果夾斷溝道，并通過(guò)減少其截面積來(lái)提高它的電阻。由于柵極沒(méi)有施加電壓，溝道的電阻數(shù)值最低，并且流過(guò)器件的漏極電流最大。隨著柵極電壓的增加，兩個(gè)耗盡區(qū)的開(kāi)頭前進(jìn)，通過(guò)提高溝道電阻降低了漏極電流，直到兩個(gè)耗盡區(qū)的開(kāi)頭相遇時(shí)才會(huì)出現(xiàn)總的夾斷。

圖1:JFET結(jié)構(gòu)

MOSFET利用不同類(lèi)型的柵極結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了MOS電容的特性。通過(guò)改變施加在MOS結(jié)構(gòu)的頂端電極的偏置的數(shù)值和極性，你可以全程驅(qū)動(dòng)它下面的芯片直到反轉(zhuǎn)。圖2顯示了一個(gè)N溝道MOSFET的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，人們稱(chēng)之為垂直、雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，它以高度濃縮的n型襯底開(kāi)始，以最小化溝道部分的體電阻。

在它上面要生長(zhǎng)了一層n-epi,并制成了兩個(gè)連續(xù)的擴(kuò)散區(qū)，p區(qū)中合適的偏置將產(chǎn)生溝道，而在它里面擴(kuò)散出的n+區(qū)定義了源極。下一步，在形成磷摻雜多晶硅之后，要生長(zhǎng)薄的高品質(zhì)柵極氧化層，從而形成柵極。要在定義源極和柵電極的頂層上開(kāi)接觸窗口，與此同時(shí)，整個(gè)晶圓的底層使漏極接觸。由于在柵極上沒(méi)有偏置，n+源和n漏被p區(qū)分隔，并且沒(méi)有電流流過(guò)(三極管被關(guān)閉)。

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如果向柵極施加正偏置，在p區(qū)中的少數(shù)載流子(電子)就被吸引到柵極板下面的表面。隨著偏置電壓的增加，越來(lái)越多的電子被禁閉在這塊小空間之中，本地的“少子”集中比空穴(p)集中還要多，從而出現(xiàn)“反轉(zhuǎn)”(意味著柵極下面的材料立即從p型變成n型)?，F(xiàn)在，在把源極連接到漏極的柵結(jié)構(gòu)的下面的p型材料中形成了n“溝道”;電流可以流過(guò)。就像在JFET(盡管物理現(xiàn)象不同)中的情形一樣，柵極(依靠其電壓偏置)控制源極和漏極之間的電流。

圖2:MOSFET結(jié)構(gòu)和符號(hào)

MOSFET制造商很多，幾乎每一家制造商都有其工藝優(yōu)化和商標(biāo)。IR是HEXFET先鋒，摩托羅拉構(gòu)建了TMOS,Ixys制成了HiPerFET和MegaMOS,西門(mén)子擁有SIPMOS家族的功率三極管，而Advanced Power Technology擁有Power MOS IV技術(shù)，不一而足。不論工藝被稱(chēng)為VMOS、TMOS或DMOS,它都具有水平的柵結(jié)構(gòu)且電流垂直流過(guò)柵極。

功率MOSFET的特別之處在于：包含像圖2中并行連接所描述的那樣的多個(gè)“單元”的結(jié)構(gòu)。具有相同RDS(on)電阻的MOSFET并聯(lián)，其等效電阻為一個(gè)MOSFET單元的RDS(on)的1/n.裸片面積越大，其導(dǎo)通電阻就越低，但是，與此同時(shí)，寄生電容就越大，因此，其開(kāi)關(guān)性能就越差。

如果一切都是如此嚴(yán)格成正比且可以預(yù)測(cè)的話，有什么改進(jìn)的辦法嗎?是的，其思路就是最小化(調(diào)低)基本單元的面積，這樣在相同的占位空間中可以集成更多的單元，從而使RDS(on)下降，并維持電容不變。為了成功地改良每一代MOSFET產(chǎn)品，有必要持續(xù)地進(jìn)行技術(shù)改良并改進(jìn)晶體圓制造工藝(更出色的線蝕刻、更好的受控灌注等等)。

但是，持續(xù)不斷地努力開(kāi)發(fā)更好的工藝技術(shù)不是改良MOSFET的唯一途徑;概念設(shè)計(jì)的變革可能會(huì)極大地提高性能。這樣的突破就是飛利浦去年11月宣布：開(kāi)發(fā)成功TrenchMOS工藝。其柵結(jié)構(gòu)不是與裸片表面平行，現(xiàn)在是構(gòu)建在溝道之中，垂直于表面，因此，占用的空間較少并且使電流的流動(dòng)真正是垂直的(見(jiàn)圖3)。在RDS(on)相同的情況下，飛利浦的三極管把面積減少了50%;或者，在相同的電流處理能力下，把面積減少了35%.

圖3:Trench MOS結(jié)構(gòu)

我們把MOSFET與更為著名、更為常用的雙極型三極管進(jìn)行了比較，我們看到MOSFET比BJT所具備的主要優(yōu)勢(shì)，我們現(xiàn)在也意識(shí)到一些折衷。最重要的結(jié)論在于：整個(gè)電路的效率是由具體應(yīng)用決定的;工程師要在所有的工作條件下仔細(xì)地評(píng)估傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗的平衡，然后，決定所要使用的器件是常規(guī)的雙極型、MOSFET或可能是IGBT?