人们可能会说:在高频应用中需要开关速度快的MOSFET,但是,在我的速度相对较低的电路中,为什么要采用这种器件?答案是直截了当的:改善效率。该器件在开关状态的持续时间间隔期间,既具有大电流,又具有高电压;由于器件的工作速度更快,所以,所损耗的能量就较少。在许多应用中,仅仅这个优势就足以补偿较高电压MOSFET存在的导通损耗稍高的问题,例如,如果不用它的话,频率为150KHz以上的开关模式电源(SMPS)根本就无法实现。
双极型三极管受电流驱动,实际上,因为增益(集电极和基极电流之比)随集电极电流(IC)的增加而大幅度降低,我们要驱动的电流越大,则我们需要提供给基极的电流也越大。一个结果使双极型三极管开始消耗大量的控制功率,从而降低了整个电路的效率。
使事情更糟糕的是:这种缺点在工作温度更高的情况下会加重。另外一个结果是需要能够快速泵出和吸收电流的相当复杂的基极驱动电路。相比之下,(MOS)FET这种器件在栅极实际上消耗的电流为零;甚至在125°C的典型栅极电流都小于100nA。一旦寄生电容被充电,由驱动电路提供的泄漏电流就非常低。此外,用电压驱动比用电流驱动的电路简单,这正是(MOS)FET为什么对设计工程师如此有吸引力的另外一个原因。
另一方面,其主要优点是不存在二次损坏机制。如果尝试用双极型三极管来阻塞大量的功率,在任何半导体结构中的不可避免的本地缺陷将扮演聚集电流的作用,结果将局部加热硅片。因为电阻的温度系数是负的,本地缺陷将起到低阻电流路径的作用,导致流入它的电流更多,自身发热越来越多,最终出现不可逆转的破坏。相比之下,MOSFET具有正的电阻热系数。
另一方面,随着温度的升高,RDS(on)增加的劣势可以被感察觉到,由于载子移动性在25°C和125°C之间降低,这个重要的参数大概要翻番。再一方面,这同一个现象带来了巨大的优势:任何试图像上述那样发生作用的缺陷实际上都会从它分流—我们将看到的是“冷却点”而不是对双极器件的 “热点”特性!这种自冷却机制的同等重要的结果是便于并联MOSFET以提升某种器件的电流性能。
双极型三极管对于并联非常敏感,要采取预防措施以平分电流(发射极稳定电阻、快速响应电流感应反馈环路),否则,具有最低饱和电压的器件会转移大部分的电流,从而出现上述的过热并最终导致短路。
要注意MOSFET,除了设计保险的对称电路和平衡栅极之外,它们不需要其它措施就可以被并联起来,所以,它们同等地打开,让所有的三极管中流过相同大小的电流。此外,好处还在于如果栅极没有获得平衡,并且沟道打开的程度不同,这仍然会导致稳态条件下存在一定的漏极电流,并且比其它的要稍大。
对设计工程师有吸引力的一个有用功能是MOSFET具有独特的结构:在源极和漏极之间存在“寄生”体二极管。尽管它没有对快速开关或低导通损耗进行最优化,在电感负载开关应用中,它不需要增加额外的成本就起到了箝位二极管的作用。
MOSFET结构
在它上面要生长了一层n-epi,并制成了两个连续的扩散区,p区中合适的偏置将产生沟道,而在它里面扩散出的n+区定义了源极。下一步,在形成磷掺杂多晶硅之后,要生长薄的高品质栅极氧化层,从而形成栅极。要在定义源极和栅电极的顶层上开接触窗口,与此同时,整个晶圆的底层使漏极接触。由于在栅极上没有偏置,n+源和n漏被p区分隔,并且没有电流流过(三极管被关闭)。
如果向栅极施加正偏置,在p区中的少数载流子(电子)就被吸引到栅极板下面的表面。随着偏置电压的增加,越来越多的电子被禁闭在这块小空间之中,本地的“少子”集中比空穴(p)集中还要多,从而出现“反转”(意味着栅极下面的材料立即从p型变成n型)。现在,在把源极连接到漏极的栅结构的下面的p型材料中形成了n“沟道”;电流可以流过。就像在JFET(尽管物理现象不同)中的情形一样,栅极(依靠其电压偏置)控制源极和漏极之间的电流。
图2:MOSFET结构和符号。
但是,持续不断地努力开发更好的工艺技术不是改良MOSFET的唯一途径;概念设计的变革可能会极大地提高性能。这样的突破就是飞利浦去年11月宣布:开发成功TrenchMOS工艺。其栅结构不是与裸片表面平行,现在是构建在沟道之中,垂直于表面,因此,占用的空间较少并且使电流的流动真正是垂直的(见图3)。在RDS(on)相同的情况下,飞利浦的三极管把面积减少了50%;或者,在相同的电流处理能力下,把面积减少了35%。
本文小结
我们把MOSFET与更为著名、更为常用的双极型三极管进行了比较,我们看到MOSFET比BJT所具备的主要优势,我们现在也意识到一些折衷。最重要的结论在于:整个电路的效率是由具体应用决定的;工程师要在所有的工作条件下仔细地评估传导和开关损耗的平衡,然后,决定所要使用的器件是常规的双极型、MOSFET或可能是IGBT。
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