從原理到具體電路，深入剖析MOSFET的工作方式

　　圖4是功率MOSFET的結構和其相應的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著(zhù)一個(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度 看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著(zhù)一個(gè)晶閘管一樣）。這幾個(gè)方面，是研究MOSFET動(dòng)態(tài)特性很重要的因素。

　　首先MOSFET結構中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復雪崩能力來(lái)表達。當反向di/dt很大時(shí)，二極管會(huì )承受一個(gè)速 度非?？斓拿}沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結二極管來(lái)說(shuō)，仔細研究其動(dòng)態(tài)特性是相當復雜的。它們和 我們一般理解PN結正向時(shí)導通反向時(shí)阻斷的簡(jiǎn)單概念很不相同。當電流迅速下降時(shí)，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時(shí)間。PN結要求迅速導 通時(shí)，也會(huì )有一段時(shí)間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數載流子也會(huì )增加作為多子器件的MOSFET的復雜性。

　　功率MOSFET的設計過(guò)程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其 措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB盡量小。因為只有在漏極N區下的橫向電阻流過(guò)足夠電流為這個(gè)N區建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管 才開(kāi)始發(fā)難。然而在嚴峻的動(dòng)態(tài)條件下，因dv/dt通過(guò)相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時(shí)這個(gè)寄生的雙極性晶體管就會(huì )起動(dòng)，有可能給MOSFET 帶來(lái)?yè)p壞。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對功率MOSFET器件內部的各個(gè)電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

　　瞬態(tài)情況是和線(xiàn)路情況密切相關(guān)的，這方面在應用中應給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應的問(wèn)題。

　　3.高壓MOSFET原理與性能分析

　　在功率半導體器件中，MOSFET以高速、低開(kāi)關(guān)損耗、低驅動(dòng)損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著(zhù)重要作用。在低壓領(lǐng)域，MOSFET沒(méi)有競 爭對手，但隨著(zhù)MOS的耐壓提高，導通電阻隨之以2.4-2.6次方增長(cháng)，其增長(cháng)速度使MOSFET制造者和應用者不得不以數十倍的幅度降低額定電流，以 折中額定電流、導通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產(chǎn)生的導通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET 的額定結溫、額定電流條件下的導通電壓很高，耐壓800V以上的導通電壓高得驚人，導通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應用受到極大限制。

　　3.1降低高壓MOSFET導通電阻的原理與方法

　　3.1.1 不同耐壓的MOSFET的導通電阻分布。

　　不同耐壓的MOSFET，其導通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOSFET，其外延層電阻僅為 總導通電阻的29%，耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導通電阻將幾乎被外 延層電阻占據。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規高壓MOSFET結構所導致的高導通電阻的根本原因。

　　3.1.2 降低高壓MOSFET導通電阻的思路。

　　增加管芯面積雖能降低導通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是商業(yè)品所不允許的。引入少數載流子導電雖能降低導通壓降，但付出的代價(jià)是開(kāi)關(guān)速度的降低并出現拖尾電流，開(kāi)關(guān)損耗增加，失去了MOSFET的高速的優(yōu)點(diǎn)。

　　以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區域和導電通道的高摻雜、低電阻率分開(kāi)解決。如除 導通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對導通電阻只能起增大作用外并無(wú)其他用途。這樣，是否可以將導電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現，而在MOSFET關(guān)斷時(shí)，設法使 這個(gè)通道以某種方式夾斷，使整個(gè)器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層?；谶@種思想，1988年INFINEON推出內建橫向電場(chǎng)耐壓為600V的 COOLMOS，使這一想法得以實(shí)現。內建橫向電場(chǎng)的高壓MOSFET的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖5所示。

　　與常規MOSFET結構不同，內建橫向電場(chǎng)的MOSFET嵌入垂直P(pán)區將垂直導電區域的N區夾在中間，使MOSFET關(guān)斷時(shí)，垂直的P與N之間建立橫向電場(chǎng)，并且垂直導電區域的N摻雜濃度高于其外延區N-的摻雜濃度。

　　當VGS＜VTH時(shí)，由于被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導電溝道不能形成，并且D，S間加正電壓，使MOSFET內部PN結反偏形成耗盡層，并將垂直導電的N 區耗盡。這個(gè)耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖5（b）所示，這時(shí)器件的耐壓取決于P與N-的耐壓。因此N-的低摻雜、高電阻率是必需的。

　　當CGS＞VTH時(shí)，被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導電溝道形成。源極區的電子通過(guò)導電溝道進(jìn)入被耗盡的垂直的N區中和正電荷，從而恢復被耗盡的N型特性，因此導電溝道形成。由于垂直N區具有較低的電阻率，因而導通電阻較常規MOSFET將明顯降低。

　　通過(guò)以上分析可以看到：阻斷電壓與導通電阻分別在不同的功能區域。將阻斷電壓與導通電阻功能分開(kāi)，解決了阻斷電壓與導通電阻的矛盾，同時(shí)也將阻斷時(shí)的表面PN結轉化為掩埋PN結，在相同的N-摻雜濃度時(shí)，阻斷電壓還可進(jìn)一步提高。

　　3.2內建橫向電場(chǎng)MOSFET的主要特性

　　3.2.1 導通電阻的降低。

　　INFINEON的內建橫向電場(chǎng)的MOSFET，耐壓600V和800V，與常規MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導通電阻分別下 降到常規MOSFET的1/5， 1/10；相同的額定電流，導通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結溫、額定電流條件下，導通電壓分別從12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；導通損耗下降到常規MOSFET的1/2和1/3。由于導通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對較涼，故稱(chēng)COOLMOS。

　　3.2.2 封裝的減小和熱阻的降低。

　　相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規MOSFET減小到1/3和1/4，使封裝減小兩個(gè)管殼規格。

　　由于COOLMOS管芯厚度僅為常規MOSFET的1/3，使TO-220封裝RTHJC從常規1℃/W降到0.6℃/W；額定功率