什么是功率mosfet?

      我們都懂得如何利用二極管來實現(xiàn)開關(guān),但是,我們只能對其進(jìn)行開關(guān)操作,而不能逐漸控制信號流.此外,二極管作為開關(guān)取決于信號流的方向;我們不能對其編程以通過或屏蔽一個信號.對于諸如“流控制”或可編程開關(guān)之類的應(yīng)用,我們需要一種三端器件和雙極型三極管.我們都聽說過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,它由兩個背靠背的結(jié)實現(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,就像一個控制發(fā)射極電流流動的“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(xiàn)的雙極型“孿生兄弟”相區(qū)別,fet的三個電極分別被稱為漏極、柵極和源極,對應(yīng)的三極管的三個電極分別是集電極、基極和發(fā)射極.fet有兩個主要變種,它們針對不同類型的應(yīng)用做了 優(yōu)化.jfet(結(jié)型fet)被用于小信號處理,而mosfet(金屬氧化物半導(dǎo)體fet)主要被用于線性或開關(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)用的時候,它顯露出一些惱人的局限性.確實,你仍然可以在洗衣機、空調(diào)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說,這些應(yīng)用都是低功率應(yīng)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,三極管依賴于被注入到基極的少數(shù)載流子來“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 小). 

      但是,這意味著當(dāng)我們想要三極管打開的時候,在基極中存在復(fù)合因子低的大量少數(shù)載流子,開關(guān)在閉合之前要對它們進(jìn)行處理,換言之,與所有少數(shù)載流子器件相關(guān)的存儲電荷問題限制了 大工作速度.fet的主要優(yōu)勢目前帶來了一線曙光:作為多數(shù)載流子器件,不存在已存儲的少數(shù)電荷問題,因此,其工作頻率要高得多.mosfet的開關(guān)延遲特性完全是因為寄生電容的充電和放電. 

      人們可能會說:在高頻應(yīng)用中需要開關(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(dāng)?shù)?改善效率.該器件在開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時間間隔期間,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,僅僅這個優(yōu)勢就足以補償較高電壓mosfet存在的導(dǎo)通損耗稍高的問題,例如,如果不用它的話,頻率為150khz以上的開關(guān)模式電源(smps)根本就無法實現(xiàn). 

      雙極型三極管受電流驅(qū)動,實際上,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(qū)動的電流越大,則我們需要提供給基極的電流也越大.一個結(jié)果使雙極型三極管開始消耗大量的控制功率,從而降低了整個電路的效率. 

      使事情更糟糕的是:這種缺點在工作溫度更高的情況下會加重.另外一個結(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)動電路.相比之下,(mos)fet這種器件在柵極實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)動電路提供的泄漏電流就非常低.此外,用電壓驅(qū)動比用電流驅(qū)動的電路簡單,這正是(mos)fet為什么對設(shè)計工程師如此有吸引力的另外一個原因. 

      另一方面,其主要優(yōu)點是不存在二次損壞機制.如果嘗試用雙極型三極管來阻塞大量的功率,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.因為電阻的溫度系數(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)熱越來越多, 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)增加的劣勢可以被感察覺到,由于載子移動性在25°c和125°c之間降低,這個重要的參數(shù)大概要翻番.再一方面,這同一個現(xiàn)象帶來了巨大的優(yōu)勢:任何試圖像上述那樣發(fā)生作用的缺陷實際上都會從它分流—我們將看到的是“冷卻點”而不是對雙極器件的“熱點”特性!這種自冷卻機制的同等重要的結(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 低飽和電壓的器件會轉(zhuǎn)移大部分的電流,從而出現(xiàn)上述的過熱并 終導(dǎo)致短路. 

      要注意mosfet,除了設(shè)計保險的對稱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,所以,它們同等地打開,讓所有的三極管中流過相同大小的電流.此外,好處還在于如果柵極沒有獲得平衡,并且溝道打開的程度不同,這仍然會導(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. 

      對設(shè)計工程師有吸引力的一個有用功能是mosfet具有獨特的結(jié)構(gòu):在源極和漏極之間存在“寄生”體二極管.盡管它沒有對快速開關(guān)或低導(dǎo)通損耗進(jìn)行 優(yōu)化,在電感負(fù)載開關(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)是通過調(diào)節(jié)(夾斷)漏-源溝道之間的截面積來控制流過從源極到漏極的電流.利用反相偏置的結(jié)作為柵極可以實現(xiàn)這一點;其(反相)電壓調(diào)節(jié)耗盡區(qū),結(jié)果夾斷溝道,并通過減少其截面積來提高它的電阻.由于柵極沒有施加電壓,溝道的電阻數(shù)值 低,并且流過器件的漏極電流 大.隨著柵極電壓的增加,兩個耗盡區(qū)的開頭前進(jìn),通過提高溝道電阻降低了漏極電流,直到兩個耗盡區(qū)的開頭相遇時才會出現(xiàn)總的夾斷.



圖1:jfet結(jié)構(gòu). 

      mosfet利用不同類型的柵極結(jié)構(gòu)開發(fā)了mos電容的特性.通過改變施加在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)動它下面的芯片直到反轉(zhuǎn).圖2顯示了一個n溝道m(xù)osfet的簡化結(jié)構(gòu),人們稱之為垂直、雙擴散結(jié)構(gòu),它以高度濃縮的n型襯底開始,以 小化溝道部分的體電阻. 

      在它上面要生長了一層n-epi,并制成了兩個連續(xù)的擴散區(qū),p區(qū)中合適的偏置將產(chǎn)生溝道,而在它里面擴散出的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接觸窗口,與此同時,整個晶圓的底層使漏極接觸.由于在柵極上沒有偏置,n+源和n漏被p區(qū)分隔,并且沒有電流流過(三極管被關(guān)閉). 

      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).現(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.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.

      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.不論工藝被稱為vmos、tmos或dmos,它都具有水平的柵結(jié)構(gòu)且電流垂直流過柵極. 

      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“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,寄生電容就越大,因此,其開關(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)測的話,有什么改進(jìn)的辦法嗎?是的,其思路就是 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)計的變革可能會極大地提高性能.這樣的突破就是飛利浦去年11月宣布:開發(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真正是垂直的(見圖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).

 

      本文小結(jié) 

      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,我們現(xiàn)在也意識到一些折衷. 重要的結(jié)論在于:整個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)地評估傳導(dǎo)和開關(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?

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