什么是功率 MOSFET？

我們都懂得如何利用二極管來實(shí)現(xiàn)開關(guān)，但是，我們只能對(duì)其進(jìn)行開關(guān)操作，而不能逐漸控制信號(hào)流。此外，二極管作為開關(guān)取決于信號(hào)流的方向；我們不能對(duì)其編程以通過或屏蔽一個(gè)信號(hào)。對(duì)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(gè)背靠背的結(jié)實(shí)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(shí)現(xiàn)了共陰極)，但是，在功能上它是*不同的器件，就像一個(gè)控制發(fā)射極電流流動(dòng)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(shí)施電流控制。雙極型三極管誕生于 1947 年，不久之后一對(duì)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(gè)電極分別被稱為漏極、柵極和源極，對(duì)應(yīng)的三極管的三個(gè)電極分別是集電極、基極和發(fā)射極。FET有兩個(gè)主要變種，它們針對(duì)不同類型的應(yīng)用做了優(yōu)化。JFET(結(jié)型 FET)被用于小信號(hào)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(shí)候，它顯露出一些惱人的局限性。確實(shí)，你仍然可以在洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)和電冰箱中找到它們的蹤影，但是，對(duì)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(fèi)者來說，這些應(yīng)用都是低功率應(yīng)用。在一些 UPS、電機(jī)控制或焊接機(jī)器人中仍然采用雙極型三極管，但是，它們的用途實(shí)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)合要保持為最小)。

但是，這意味著當(dāng)我們想要三極管打開的時(shí)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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*是因?yàn)榧纳娙莸某潆姾头烹姟?/span>

人們可能會(huì)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(duì)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)模焊纳菩?。該器件在開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)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(gè)優(yōu)勢就足以補(bǔ)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(shí)現(xiàn)。

雙極型三極管受電流驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上，因?yàn)樵鲆?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(dòng)的電流越大，則我們需要提供給基極的電流也越大。一個(gè)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(gè)電路的效率。

使事情更糟糕的是：這種缺點(diǎn)在工作溫度更高的情況下會(huì)加重。另外一個(gè)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(dòng)電路。相比之下，(MOS)FET 這種器件在柵極實(shí)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(dòng)電路提供的泄漏電流就非常低。此外，用電壓驅(qū)動(dòng)比用電流驅(qū)動(dòng)的電路簡單，這正是(MOS)FET 為什么對(duì)設(shè)計(jì)工程師如此有吸引力的另外一個(gè)原因。

另一方面，其主要優(yōu)點(diǎn)是不存在二次損壞機(jī)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?yàn)殡娮璧臏囟认禂?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，最終出現(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(dòng)性在 25°C 和 125°C之間降低，這個(gè)重要的參數(shù)大概要翻番。再一方面，這同一個(gè)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(shí)際上都會(huì)從它分流—我們將看到的是“冷卻點(diǎn)”而不是對(duì)雙極器件的“熱點(diǎn)”特性！這種自冷卻機(jī)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(duì)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(huì)轉(zhuǎn)移大部分的電流，從而出現(xiàn)上述的過熱并最終導(dǎo)致短路。

要注意 MOSFET，除了設(shè)計(jì)保險(xiǎn)的對(duì)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(huì)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(duì)設(shè)計(jì)工程師有吸引力的一個(gè)有用功能是 MOSFET 具有特別的結(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(duì)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)；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最大。隨著柵極電壓的增加，兩個(gè)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(gè)耗盡區(qū)的開頭相遇時(shí)才會(huì)出現(xiàn)總的夾斷。

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(dòng)它下面的芯片直到反轉(zhuǎn)。圖 2 顯示了一個(gè) 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(gè)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(gè)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)?，F(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 AdvancedPower 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(gè)“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(gè)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)，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 的途徑；概念設(shè)計(jì)的變革可能會(huì)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(dòng)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(shí)到一些折衷。最重要的結(jié)論在于：整個(gè)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(píng)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？

1.概述

MOSFET 的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor 場效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。

功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的 MOS 型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡稱功率 MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置。

2.功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和工作原理

功率 MOSFET 的種類：按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道。按柵極電壓幅值可分為；耗盡型；當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型；對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率 MOSFET 主要是 N溝道增強(qiáng)型。

2.1 功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)

功率 MOSFET 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖 1 所示；其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率 mos 管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率 MOS 管是橫向?qū)щ娖骷?，功?MOSFET 大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為 VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了 MOSFET 器件的耐壓和耐電流能力。

按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用 V 型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的 VVMOSFET 和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS 結(jié)構(gòu)的 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以 VDMOS 器件為例進(jìn)行討論。

功率 MOSFET 為多元集成結(jié)構(gòu)，如國際整流器公司（International Rectifier）的 HEXFET 采用了六邊形單元；西門子公司（Siemens）的 SIPMOSFET 采用了正方形單元；摩托羅拉公司（Motorola）的 TMOS 采用了矩形單元按“品”字形排列。

2.2 功率 MOSFET 的工作原理

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P 基區(qū)與 N 漂移區(qū)之間形成的 PN 結(jié) J1 反偏，漏源極之間無電流流過。

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓 UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面 P 區(qū)中的空穴推開，而將 P 區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的 P 區(qū)表面。

當(dāng) UGS 大于 UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下 P 區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使 P 型半導(dǎo)體反型成 N 型而成為反型層，該反型層形成 N 溝道而使 PN 結(jié) J1 消失，漏極和源極導(dǎo)電。

2.3 功率 MOSFET 的基本特性

2.3.1 靜態(tài)特性；其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖 2 所示

漏極電流 ID 和柵源間電壓 UGS 的關(guān)系稱為 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性，ID 較大時(shí)，ID 與 UGS 的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo) GfsMOSFET 的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于 GTR 的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于 GTR 的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于 GTR 的飽和區(qū)）。電力 MOSFET 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力 MOSFET 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力 MOSFET 的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

2.3.2 動(dòng)態(tài)特性；其測試電路和開關(guān)過程波形如圖 3 所示。

開通過程；開通延遲時(shí)間 td(on) —up 前沿時(shí)刻到 uGS=UT 并開始出現(xiàn) iD 的時(shí)刻間的時(shí)間段；上升時(shí)間 tr— uGS 從 uT 上升到 MOSFET 進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP 的時(shí)間段；iD 穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓 UE 和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP 的大小和 iD 的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS 達(dá)到 UGSP 后，在 up 作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但 iD 已不變。

開通時(shí)間 ton—開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) —up 下降到零起，Cin 通過 Rs 和 RG 放電，uGS 按指數(shù)曲線下降到 UGSP 時(shí)，iD 開始減小為零的時(shí)間段。

下降時(shí)間 tf— uGS 從 UGSP 繼續(xù)下降起，iD 減小，到 uGS

關(guān)斷時(shí)間 toff—關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。

2.3.3 MOSFET 的開關(guān)速度

MOSFET 的開關(guān)速度和 Cin 充放電有很大關(guān)系，使用者無法降低 Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻 Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度，MOSFET 只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在 10—100ns之間，工作頻率可達(dá) 100kHz 以上，是主要電力電子器件中*高的。

場控器件靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

2.4 動(dòng)態(tài)性能的改進(jìn)

在器件應(yīng)用時(shí)除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應(yīng)用中如何保護(hù)器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。

當(dāng)然晶閘管是兩個(gè)雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其 dv/dt 能力是較為脆弱的。對(duì) di/dt 來說，它還存在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問題，所以也帶來相當(dāng)嚴(yán)格的限制。

功率 MOSFET 的情況有很大的不同。它的 dv/dt 及 di/dt 的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來估量。但盡管如此，它也存在動(dòng)態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率 MOSFET 的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。

圖 4 是功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮 MOSFET 還并聯(lián)著一個(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。（就像 IGBT 也寄生著一個(gè)晶閘管一樣）。這幾個(gè)方面，是研究MOSFET 動(dòng)態(tài)特性很重要的因素。

首先 MOSFET 結(jié)構(gòu)中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復(fù)雪崩能力來表達(dá)。當(dāng)反向 di/dt很大時(shí)，二極管會(huì)承受一個(gè)速度非?？斓拿}沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種 PN 結(jié)二極管來說，仔細(xì)研究其動(dòng)態(tài)特性是相當(dāng)復(fù)雜的。它們和我們一般理解 PN 結(jié)正向時(shí)導(dǎo)通反向時(shí)阻斷的簡單概念很不相同。當(dāng)電流迅速下降時(shí)，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復(fù)時(shí)間。PN 結(jié)要求迅速導(dǎo)通時(shí)，也會(huì)有一段時(shí)間并不顯示很低的電阻。在功率 MOSFET 中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會(huì)增加作為多子器件的 MOSFET 的復(fù)雜性。

功率 MOSFET 的設(shè)計(jì)過程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率 MOSFET 中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻 RB 盡量小。因?yàn)橹挥性诼O N 區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個(gè) N 區(qū)建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動(dòng)態(tài)條件下，因 dv/dt 通過相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時(shí)這個(gè)寄生的雙極性晶體管就會(huì)起動(dòng)，有可能給 MOSFET 帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對(duì)功率 MOSFET 器件內(nèi)部的各個(gè)電容（它是dv/dt 的通道）都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關(guān)的，這方面在應(yīng)用中應(yīng)給予足夠重視。對(duì)器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應(yīng)的問題。

3.高壓 MOSFET 原理與性能分析

在功率半導(dǎo)體器件中，MOSFET 以高速、低開關(guān)損耗、低驅(qū)動(dòng)損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。

在低壓領(lǐng)域，MOSFET 沒有競爭對(duì)手，但隨著 MOS 的耐壓提高，導(dǎo)通電阻隨之以 2.4-2.6 次方增長，其增長速度使 MOSFET制造者和應(yīng)用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導(dǎo)通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓 MOSFET在額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降仍居高不下，耐壓 500V 以上的 MOSFET 的額定結(jié)溫、額定電流條件下的導(dǎo)通電壓很高，耐壓 800V 以上的導(dǎo)通電壓高得驚人，導(dǎo)通損耗占 MOSFET 總損耗的 2/3-4/5，使應(yīng)用受到極大限制。

3.1 降低高壓 MOSFET 導(dǎo)通電阻的原理與方法

3.1.1 不同耐壓的 MOSFET 的導(dǎo)通電阻分布

不同耐壓的 MOSFET，其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V 的 MOSFET，其外延層電阻僅為總導(dǎo)通電阻的 29%，耐壓 600V 的 MOSFET 的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的 96.5%。由此可以推斷耐壓 800V 的 MOSFET 的導(dǎo)通電阻將幾乎被外延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，
并增厚。這就是常規(guī)高壓 MOSFET 結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高導(dǎo)通電阻的根本原因。

3.1.2 降低高壓 MOSFET 導(dǎo)通電阻的思路。

增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是商業(yè)品所不允許的。引入少數(shù)載流子導(dǎo)電雖能降低導(dǎo)通壓降，但付出的代價(jià)是開關(guān)速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流，開關(guān)損耗增加，失去了 MOSFET的高速的優(yōu)點(diǎn)。

以上兩種辦法不能降低高壓 MOSFET 的導(dǎo)通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導(dǎo)電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如除導(dǎo)通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對(duì)導(dǎo)通電阻只能起增大作用外并無其他用途。這樣，是否可以將導(dǎo)電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現(xiàn)，而在 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，設(shè)法使這個(gè)通道以某種方式夾斷，使整個(gè)器件耐壓僅取決于低摻雜的 N-外延層。基于這種思想，1988 年 INFINEON 推出內(nèi)建橫向電場耐壓為 600V 的 COOLMOS，使這一想法得以實(shí)現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場的高壓 MOSFET 的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖 5 所示。

與常規(guī) MOSFET 結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)建橫向電場的 MOSFET 嵌入垂直 P 區(qū)將垂直導(dǎo)電區(qū)域的 N 區(qū)夾在中間，使 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，垂直的 P 與 N 之間建立橫向電場，并且垂直導(dǎo)電區(qū)域的 N 摻雜濃度高于其外延區(qū) N-的摻雜濃度。

當(dāng) VGS＜VTH 時(shí)，由于被電場反型而產(chǎn)生的 N 型導(dǎo)電溝道不能形成，并且 D，S 間加正電壓，使 MOSFET 內(nèi)部 PN 結(jié)反偏形成耗盡層，并將垂直導(dǎo)電的 N 區(qū)耗盡。這個(gè)耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖 5（b）所示，這時(shí)器件的耐壓取決于 P 與N-的耐壓。因此 N-的低摻雜、高電阻率是必需的。

當(dāng) CGS＞VTH 時(shí)，被電場反型而產(chǎn)生的 N 型導(dǎo)電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進(jìn)入被耗盡的垂直的 N 區(qū)中和正電荷，從而恢復(fù)被耗盡的 N 型特性，因此導(dǎo)電溝道形成。由于垂直 N 區(qū)具有較低的電阻率，因而導(dǎo)通電阻較常規(guī) MOSFET 將明顯降低。

通過以上分析可以看到：阻斷電壓與導(dǎo)通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾，同時(shí)也將阻斷時(shí)的表面 PN 結(jié)轉(zhuǎn)化為掩埋 PN 結(jié)，在相同的 N-摻雜濃度時(shí)，阻斷電壓還可進(jìn)一步提高。

3.2 內(nèi)建橫向電場 MOSFET 的主要特性

3.2.1 導(dǎo)通電阻的降低

INFINEON 的內(nèi)建橫向電場的 MOSFET，耐壓 600V 和 800V，與常規(guī) MOSFET 器件相比，相同的管芯面積，導(dǎo)通電阻分別下降到常規(guī) MOSFET 的 1/5， 1/10；相同的額定電流，導(dǎo)通電阻分別下降到 1/2 和約 1/3。在額定結(jié)溫、額定電流條件下，導(dǎo)通電壓分別從 12.6V，19.1V 下降到 6.07V，7.5V；導(dǎo)通損耗下降到常規(guī) MOSFET 的 1/2 和 1/3。由于導(dǎo)通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對(duì)較涼，故稱 COOLMOS。

3.2.2 封裝的減小和熱阻的降低

相同額定電流的 COOLMOS 的管芯較常規(guī) MOSFET 減小到 1/3 和 1/4，使封裝減小兩個(gè)管殼規(guī)格。

由于 COOLMOS 管芯厚度僅為常規(guī) MOSFET 的 1/3，使 TO-220 封裝 RTHJC 從常規(guī) 1℃/W 降到 0.6℃/W；額定功率從125W 上升到 208W，使管芯散熱能力提高。

3.2.3 開關(guān)特性的改善

COOLMOS 的柵極電荷與開關(guān)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，很明顯，由于 QG，特別是 QGD 的減少，使 COOLMOS 的開關(guān)時(shí)間約為常規(guī) MOSFET 的 1/2；開關(guān)損耗降低約 50%。關(guān)斷時(shí)間的下降也與 COOLMOS 內(nèi)部低柵極電阻(＜1Ω＝有關(guān)。

3.2.4 抗雪崩擊穿能力與 SCSOA

目前，新型的 MOSFET 無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS 同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流下，COOLMOS 的 IAS 與 ID25℃相同。但由于管芯面積的減小，IAS 小于常規(guī) MOSFET，而具有相同管芯面積時(shí)，IAS 和 EAS 則均大于常規(guī) MOSFET。

COOLMOS 的最大特點(diǎn)之一就是它具有短路安全工作區(qū)（SCSOA），而常規(guī)MOS 不具備這個(gè)特性。COOLMOS 的 SCSOA的獲得主要是由于轉(zhuǎn)移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS 的轉(zhuǎn)移特性如圖 6 所示。從圖 6 可以看到，當(dāng) VGS＞8V 時(shí)，COOLMOS 的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結(jié)溫升高時(shí)，恒流值下降，在最高結(jié)溫時(shí)，約為 ID25℃的 2 倍，即正常工作電流的 3-3.5 倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會(huì)因柵極的 15V 驅(qū)動(dòng)電壓而上升到不可容忍的十幾倍的 ID25℃，使COOLMOS 在短路時(shí)所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，盡可能地減少短路時(shí)管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因此，COOLMOS 可在正常柵極電壓驅(qū)動(dòng)，在 0.6VDSS 電源電壓下承受 10ΜS短路沖擊，時(shí)間間隔大于 1S，1000 次不損壞，使 COOLMOS 可像 IGBT 一樣，在短路時(shí)得到有效的保護(hù)。

3.3 關(guān)于內(nèi)建橫向電場高壓 MOSFET 發(fā)展現(xiàn)狀

繼 INFINEON1988 年推出 COOLMOS 后，2000 年初 ST 推出 500V 類似于COOLMOS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使 500V，12A 的MOSFET 可封裝在 TO-220 管殼內(nèi)，導(dǎo)通電阻為 0.35Ω，低于 IRFP450 的 0.4Ω，電流額定值與 IRFP450 相近。IXYS 也有使用 COOLMOS 技術(shù)的 MOSFET。IR 公司也推出了 SUPPER220，SUPPER247 封裝的超級(jí) MOSFET，額定電流分別為 35A，59A，導(dǎo)通電阻分別為 0.082Ω，0.045Ω，150℃時(shí)導(dǎo)通壓降約 4.7V。從綜合指標(biāo)看，這些 MOSFET 均優(yōu)于常規(guī) MOSFET，并不是因?yàn)殡S管芯面積增加，導(dǎo)通電阻就成比例地下降，因此，可以認(rèn)為，以上的 MOSFET 一定存在類似橫向電場的特殊結(jié)構(gòu)，可以看到，設(shè)法降低高壓 MOSFET 的導(dǎo)通壓降已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并且必將推動(dòng)高壓 MOSFET 的應(yīng)用。

3.4 COOLMOS 與 IGBT 的比較

600V、800V 耐壓的 COOLMOS 的高溫導(dǎo)通壓降分別約 6V，7.5V，關(guān)斷損耗降低 1/2，總損耗降低 1/2 以上，使總損耗為常規(guī) MOSFET 的 40%-50%。常規(guī) 600V 耐壓 MOSFET 導(dǎo)通損耗占總損耗約 75%，對(duì)應(yīng)相同總損耗超高速 IGBT 的平衡點(diǎn)達(dá)160KHZ，其中開關(guān)損耗占約 75%。由于 COOLMOS 的總損耗降到常規(guī) MOSFET 的 40%-50%，對(duì)應(yīng)的 IGBT 損耗平衡頻率將由 160KHZ 降到約40KHZ，增加了 MOSFET 在高壓中的應(yīng)用。從以上討論可見，新型高壓MOSFET 使長期困擾高壓 MOSFET 的導(dǎo)通壓降高的問題得到解決；可簡化整機(jī)設(shè)計(jì)，如散熱器件體積可減少到原 40%左右；驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路簡化；具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力；簡化保護(hù)電路并使整機(jī)可靠性得以提高。

4.功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路

功率 MOSFET 是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單。但功率 MOSFET 的極間電容較大，輸入電容 CISS、輸出電容 COSS 和反饋電容 CRSS 與極間電容的關(guān)系可表述為：

功率 MOSFET 的柵極輸入端相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，它的工作速度與驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗有關(guān)。由于 CISS 的存在，靜態(tài)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零，但在開通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。假定開關(guān)管飽和導(dǎo)通需要的柵極電壓值為 VGS

開關(guān)管的開通時(shí)間 TON 包括開通延遲時(shí)間 TD 和上升時(shí)間 TR 兩部分。開關(guān)管關(guān)斷過程中，CISS 通過 ROFF 放電，COSS 由 RL 充電，COSS 較大，VDS（T）上升較慢，隨著 VDS(T)上升較慢，隨著 VDS（T）的升高 COSS 迅速減小至接近于零時(shí)，VDS（T）再迅速上升。

根據(jù)以上對(duì)功率 MOSFET 特性的分析，其驅(qū)動(dòng)通常要求：觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度；②開通時(shí)以低電阻力柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率 MOSFET 的開關(guān)速度；③為了使功率 MOSFET 可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓；④功率開關(guān)管開關(guān)時(shí)所需驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。

4.1 幾種 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路介紹及分析

4.1.1 不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路

圖 7（a）為常用的小功率驅(qū)動(dòng)電路，簡單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開關(guān)設(shè)備。圖 7（b）所示驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)速度很快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，為防止兩個(gè) MOSFET 管直通，通常串接一個(gè) 0.5～1Ω 小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開關(guān)設(shè)備。這兩種電路特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。

功率 MOSFET 屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閥值電壓就會(huì)導(dǎo)通。由于 MOSFET 存在結(jié)電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負(fù)壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性，可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)有 V1、V2、R 組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，電路原理圖如圖 8 所示。

當(dāng) V1 導(dǎo)通時(shí)，V2 關(guān)斷，兩個(gè) MOSFET 中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則被驅(qū)動(dòng)的功率管關(guān)斷；反之 V1 關(guān)斷時(shí)，V2 導(dǎo)通，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)管子的柵、源極通過不同的回路充放電，包含有 V2 的回路，由于 V2 會(huì)不斷退出飽和直至關(guān)斷，所以對(duì)于 S1 而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢，對(duì)于 S2 而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快，所以兩管發(fā)熱程度也不*一樣，S1 比 S2 發(fā)熱嚴(yán)重。該驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源，且由于 R 的取值不能過大，否則會(huì)使 V1 深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以 R 上會(huì)有一定的損耗。