功率MOSFET的由來及結(jié)構(gòu)原理淺談

　　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MOSFET的簡化結(jié)構(gòu)，人們稱之為垂直、雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，它以高度濃縮的n型襯底開始，以最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(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(shí)，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。

　　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(shí)，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%。

　　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。最重要的結(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?