功率MOSFET的由來及結構原理淺談

　　什么是功率MOSFET

　　我們都懂得如何利用二極管來實現(xiàn)開關，但是，我們只能對其進行開關操作，而不能逐漸控制信號流。此外，二極管作為開關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”或可編程開關之類的應用，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。

　　結構上，它由兩個背靠背的結實現(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構實現(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，F(xiàn)ET的三個電極分別被稱為漏極、柵極和源極，對應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)主要被用于線性或開關電源應用。

　　為什么要發(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，它們的用途實際上被限制到小于10KHz的應用，并且在整體效率成為關鍵參數(shù)的技術前沿應用中，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，在基極/集電極的邊界恢復所有的電流(意味著在基極的復合要保持為最小)。

　　但是，這意味著當我們想要三極管打開的時候，在基極中存在復合因子低的大量少數(shù)載流子，開關在閉合之前要對它們進行處理，換言之，與所有少數(shù)載流子器件相關的存儲電荷問題限制了最大工作速度。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：在高頻應用中需要開關速度快的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?shù)模焊纳菩?。該器件在開關狀態(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。在許多應用中，僅僅這個優(yōu)勢就足以補償較高電壓MOSFET存在的導通損耗稍高的問題，例如，如果不用它的話，頻率為150KHz以上的開關模式電源(SMPS)根本就無法實現(xiàn)。

　　雙極型三極管受電流驅動，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，由驅動電路提供的泄漏電流就非常低。此外，用電壓驅動比用電流驅動的電路簡單，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原因?！　×硪环矫妫渲饕獌?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(shù)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)熱越來越多，最終出現(xiàn)不可逆轉的破壞。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(wěn)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轉移大部分的電流，從而出現(xiàn)上述的過熱并最終導致短路。

　　要注意MOSFET，除了設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。

　　對設計工程師有吸引力的一個有用功能是MOSFET具有獨特的結構：在源極和漏極之間存在“寄生”體二極管。盡管它沒有對快速開關或低導通損耗進行最優(yōu)化，在電感負載開關應用中，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)是通過調節(jié)(