電子元器件科普小知識(shí)：功率MOSFET的基礎(chǔ)知識(shí)

什么是功率MOSFET

我們都懂得如何利用二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，但是，我們只能對(duì)其進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，而不能逐漸控制信號(hào)流。此外，二極管作為開(kāi)關(guān)取決于信號(hào)流的方向;我們不能對(duì)其編程以通過(guò)或屏蔽一個(gè)信號(hào)。對(duì)于諸如“流控制”或可編程開(kāi)關(guān)之類(lèi)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(tīng)說(shuō)過(guò)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，在功能上它是完全不同的器件，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(chǎng)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(chēng)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(lèi)型的應(yīng)用做了最優(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(kāi)關(guān)電源應(yīng)用。

為什么要發(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(lái)說(shuō)，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(lài)于被注入到基極的少數(shù)載流子來(lái)“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(kāi)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(kāi)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(wèn)題限制了最大工作速度。FET的主要優(yōu)勢(shì)目前帶來(lái)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(wèn)題，因此，其工作頻率要高得多。MOSFET的開(kāi)關(guān)延遲特性完全是因?yàn)榧纳娙莸某潆姾头烹姟?span style="text-indent: 2em; ">人們可能會(huì)說(shuō)：在高頻應(yīng)用中需要開(kāi)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(kāi)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(shì)就足以補(bǔ)償較高電壓MOSFET存在的導(dǎo)通損耗稍高的問(wèn)題，例如，如果不用它的話，頻率為150KHz以上的開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)根本就無(wú)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(kāi)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(jiǎn)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(lái)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(lái)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(shì)可以被感察覺(jué)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(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)：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，具有最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(guò)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(chēng)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(lái)，所以，它們同等地打開(kāi)，讓所有的三極管中流過(guò)相同大小的電流。此外，好處還在于如果柵極沒(méi)有獲得平衡，并且溝道打開(kāi)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具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：在源極和漏極之間存在“寄生”體二極管。盡管它沒(méi)有對(duì)快速開(kāi)關(guān)或低導(dǎo)通損耗進(jìn)行最優(yōu)化，在電感負(fù)載開(kāi)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)