常用功率器件MOSFET的基础知识介绍

MOSFET结构
　　JFET的基本想法（图1）是通过调节（夹断）漏-源沟道之间的截面积来控制流过从源极到漏极的电流。利用反相偏置的结作为栅极可以实现这一点；其（反相）电压调节耗尽区，结果夹断沟道，并通过减少其截面积来提高它的电阻。由于栅极没有施加电压，沟道的电阻数值最低，并且流过器件的漏极电流最大。随着栅极电压的增加，两个耗尽区的开头前进，通过提高沟道电阻降低了漏极电流，直到两个耗尽区的开头相遇时才会出现总的夹断。

　

图1:JFET结构

　　MOSFET利用不同类型的栅极结构开发了MOS电容的特性。通过改变施加在MOS结构的顶端电极的偏置的数值和极性，你可以全程驱动它下面的芯片直到反转。图2显示了一个N沟道MOSFET的简化结构，人们称之为垂直、双扩散结构，它以高度浓缩的n型衬底开始，以最小化沟道部分的体电阻。
　　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

　　MOSFET制造商很多，几乎每一家制造商都有其工艺优化和商标。IR是HEXFET先锋，摩托罗拉构建了TMOS,Ixys制成了HiPerFET和MegaMOS,西门子拥有SIPMOS家族的功率三极管，而Advanced Power Technology拥有Power MOS IV技术，不一而足。不论工艺被称为VMOS、TMOS或DMOS,它都具有水平的栅结构且电流垂直流过栅极。
　　功率MOSFET的特别之处在于：包含像图2中并行连接所描述的那样的多个“单元”的结构。具有相同RDS（on）电阻的MOSFET并联，其等效电阻为一个MOSFET单元的RDS（on）的1/n.裸片面积越大，其导通电阻就越低，但是，与此同时，寄生电容就越大，因此，其开关性能就越差。
　　如果一切都是如此严格成正比且可以预测的话，有什么改进的办法吗？是的，其思路就是最小化（调低）基本单元的面积，这样在相同的占位空间中可以集成更多的单元，从而使RDS（on）下降，并维持电容不变。为了成功地改良每一代MOSFET产品，有必要持续地进行技术改良并改进晶体圆制造工艺（更出色的线蚀刻、更好的受控灌注等等）。
　　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%.

图3:Trench MOS结构

　　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?（电子发烧友）