功率MOSFET基礎知識

什么是功率MOSFET？

　　我們都懂得如何利用二極管來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)，但是，我們只能對其進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，而不能逐漸控制信號流。此外，二極管作為開(kāi)關(guān)取決于信號流的方向；我們不能對其編程以通過(guò)或屏蔽一個(gè)信號。對于諸如“流控制”或可編程開(kāi)關(guān)之類(lèi)的應用，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)現一樣。

　　結構上，它由兩個(gè)背靠背的結實(shí)現(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構實(shí)現了共陰極)，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)效應三極管(FET)盡管結構上不同，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。為了與較早出現的雙極型“孿生兄弟”相區別，FET的三個(gè)電極分別被稱(chēng)為漏極、柵極和源極，對應的三極管的三個(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，它們針對不同類(lèi)型的應用做了最優(yōu)化。JFET(結型FET)被用于小信號處理，而MOSFET(金屬氧化物半導體FET)主要被用于線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)電源應用。

他們?yōu)槭裁匆l(fā)明功率MOSFET？

　　當把雙極型三極管按照比例提高到功率應用的時(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、空調機和電冰箱中找到它們的蹤影，但是，對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者來(lái)說(shuō)，這些應用都是低功率應用。在一些UPS、電機控制或焊接機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的應用，并且在整體效率成為關(guān)鍵參數的技術(shù)前沿應用中，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載流子來(lái)“擊敗”(電子和空穴)復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)射極一側把電流注入基極，如果可能的話(huà)，在基極/集電極的邊界恢復所有的電流(意味著(zhù)在基極的復合要保持為最小)。

　　但是，這意味著(zhù)當我們想要三極管打開(kāi)的時(shí)候，在基極中存在復合因子低的大量少數載流子，開(kāi)關(guān)在閉合之前要對它們進(jìn)行處理，換言之，與所有少數載流子器件相關(guān)的存儲電荷問(wèn)題限制了最大工作速度。FET的主要優(yōu)勢目前帶來(lái)了一線(xiàn)曙光：作為多數載流子器件，不存在已存儲的少數電荷問(wèn)題，因此，其工作頻率要高得多。MOSFET的開(kāi)關(guān)延遲特性完全是因為寄生電容的充電和放電。

　　人們可能會(huì )說(shuō)：在高頻應用中需要開(kāi)關(guān)速度快的MOSFET，但是，在我的速度相對較低的電路中，為什么要采用這種器件？答案是直截了當的：改善效率。該器件在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的持續時(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。在許多應用中，僅僅這個(gè)優(yōu)勢就足以補償較高電壓MOSFET存在的導通損耗稍高的問(wèn)題，例如，如果不用它的話(huà)，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。

　　雙極型三極管受電流驅動(dòng)，實(shí)際上，因為增益(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)結果是需要能夠快速泵出和吸收電流的相當復雜的基極驅動(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，由驅動(dòng)電路提供的泄漏電流就非常低。此外，用電壓驅動(dòng)比用電流驅動(dòng)的電路簡(jiǎn)單，這正是(MOS)FET為什么對設計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，在任何半導體結構中的不可避免的本地缺陷將扮演聚集電流的作用，結果將局部加熱硅片。因為電阻的溫度系數是負的，本地缺陷將起到低阻電流路徑的作用，導致流入它的電流更多，自身發(fā)熱越來(lái)越多，最終出現不可逆轉的破壞。相比之下，MOSFET具有正的電阻熱系數。

　　另一方面，隨著(zhù)溫度的升高，RDS(on)增加的劣勢可以被感察覺(jué)到，由于載子移動(dòng)性在25°C和125°C之間降低，這個(gè)重要的參數大概要翻番。再一方面，這同一個(gè)現象帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢：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)”而不是對雙極器件的“熱點(diǎn)”特性！這種自冷卻機制的同等重要的結果是便于并聯(lián)MOSFET以提升某種器件的電流性能。

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

　　要注意MOSFET，除了設計保險的對稱(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 )導致穩態(tài)條件下存在一定的漏極電流，并且比其它的要稍大。

　　對設計工程師有吸引力的一個(gè)有用功能是MOSFET具有獨特的結構：在源極和漏極之間存在“寄生”體二極管。盡管它沒(méi)有對快速開(kāi)關(guān)或低導通損耗進(jìn)行最優(yōu)化，在電感負載開(kāi)關(guān)應用中，它不需要增加額外的成本就起到了箝位二極管的作用。

MOSFET結構

　　JFET的基本想法(圖1)是通過(guò)調節(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。利用反相偏置的結作為柵極可以實(shí)現這一點(diǎn)；其(反相)電壓調節耗盡區，結果夾斷溝道，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，溝道的電阻數值最低，并且流過(guò)器件的漏極電流最大。隨著(zhù)柵極電壓的增加，兩個(gè)耗盡區的開(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)耗盡區的開(kāi)頭相遇時(shí)才會(huì )出現總的夾斷。

圖1：JFET結構。

　　MOSFET利用不同類(lèi)型的柵極結構開(kāi)發(fā)了MOS電容的特性。通過(guò)改變施加在MOS結構的頂端電極的偏置的數值和極性，你可以全程驅動(dòng)它下面的芯片直到反轉。圖2顯示了一個(gè)N溝道MOSFET的簡(jiǎn)化結構，人們稱(chēng)之為垂直、雙擴散結構，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(cháng)了一層n-epi，并制成了兩個(gè)連續的擴散區，p區中合適的偏置將產(chǎn)生溝道，而在它里面擴散出的n+區定義了源極。下一步，在形成磷摻雜多晶硅之后，要生長(cháng)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區分隔，并且沒(méi)有電流流過(guò)(三極管被關(guān)閉)。

　　如果向柵極施加正偏置，在p區中的少數載流子(電子)就被吸引到柵極板下面的表面。隨著(zhù)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“反轉”(意味著(zhù)柵極下面的材料立即從p型變成n型)?，F在，在把源極連接到漏極的柵結構的下面的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結構和符號。

　　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。IR是HEXFET先鋒，摩托羅拉構建了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構且電流垂直流過(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”的結構。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，其導通電阻就越低，但是，與此同時(shí)，