什么是功率mosfet?

      我們都懂得如何利用二極管來實現開關,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,是他們偶然之間發明了三極管,就像許多其它偉大的發現一樣. 

      結構上,它由兩個背靠背的結實現(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現了共陰極),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、基極和發射極.fet有兩個主要變種,它們針對不同類型的應用做了 優化.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. 

      他們為什么要發明功率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 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,與所有少數載流子器件相關的存儲電荷問題限制了 大工作速度.fet的主要優勢目前帶來了一線曙光:作為多數載流子器件,不存在已存儲的少數電荷問題,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?答案是直截了當的:改善效率.該器件在開關狀態的持續時間間隔期間,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. 

      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. 

      另一方面,其主要優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,自身發熱越來越多, 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,這個重要的參數大概要翻番.再一方面,這同一個現象帶來了巨大的優勢:任何試圖像上述那樣發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mosfet以提升某種器件的電流性能. 

      雙極型三極管對于并聯非常敏感,要采取預防措施以平分電流(發射極穩定電阻、快速響應電流感應反饋環路),否則,具有 低飽和電壓的器件會轉移大部分的電流,從而出現上述的過熱并 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,這仍然會導致穩態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 優化,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(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.利用反相偏置的結作為柵極可以實現這一點;其(反相)電壓調節耗盡區,結果夾斷溝道,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,兩個耗盡區的開頭前進,通過提高溝道電阻降低了漏極電流,直到兩個耗盡區的開頭相遇時才會出現總的夾斷.



圖1:jfet結構. 

      mosfet利用不同類型的柵極結構開發了mos電容的特性.通過改變施加在mos結構的頂端電極的偏置的數值和極性,你可以全程驅動它下面的芯片直到反轉.圖2顯示了一個n溝道mosfet的簡化結構,人們稱之為垂直、雙擴散結構,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,并制成了兩個連續的擴散區,p區中合適的偏置將產生溝道,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,要生長薄的高品質柵極氧化層,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區分隔,并且沒有電流流過(三極管被關閉). 

      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“反轉”(意味著柵極下面的材料立即從p型變成n型).現在,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.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,西門子擁有sipmos家族的功率三極管,而advanced power technology擁有power mos iv技術,不一而足.不論工藝被稱為vmos、tmos或dmos,它都具有水平的柵結構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”的結構.具有相同rds(on)電阻的mosfet并聯,其等效電阻為一個mosfet單元的rds(on)的1/n.裸片面積越大,其導通電阻就越低,但是,與此同時,寄生電容就越大,因此,其開關性能就越差. 

      如果一切都是如此嚴格成正比且可以預測的話,有什么改進的辦法嗎?是的,其思路就是 小化(調低)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產品,有必要持續地進行技術改良并改進晶體圓制造工藝(更出色的線蝕刻、更好的受控灌注等等). 

      但是,持續不斷地努力開發更好的工藝技術不是改良mosfet的唯一途徑;概念設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:開發成功trenchmos工藝.其柵結構不是與裸片表面平行,現在是構建在溝道之中,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結構.

 

      本文小結 

      我們把mosfet與更為著名、更為常用的雙極型三極管進行了比較,我們看到mosfet比bjt所具備的主要優勢,我們現在也意識到一些折衷. 重要的結論在于:整個電路的效率是由具體應用決定的;工程師要在所有的工作條件下仔細地評估傳導和開關損耗的平衡,然后,決定所要使用的器件是常規的雙極型、mosfet或可能是igbt?

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