從原理到具體電路，深入剖析MOSFET的工作方式

　　圖4是功率MOSFET的結構和其相應的等效電路。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)著一個二極管。同時從某個角度 看、它還存在一個寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣）。這幾個方面，是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。

　　首先MOSFET結構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雪崩能力來表達。當反向di/dt很大時，二極管會承受一個速 度非常快的脈沖尖刺，它有可能進入雪崩區(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結二極管來說，仔細研究其動態(tài)特性是相當復雜的。它們和 我們一般理解PN結正向時導通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當電流迅速下降時，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時間。PN結要求迅速導 通時，也會有一段時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)載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復雜性。

　　功率MOSFET的設計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。因為只有在漏極N區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區(qū)建立正偏的條件時，寄生的雙極性晶閘管 才開始發(fā)難。然而在嚴峻的動態(tài)條件下，因dv/dt通過相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET 帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時對功率MOSFET器件內部的各個電容（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的，這方面在應用中應給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應的問題。

　　3.高壓MOSFET原理與性能分析

　　在功率半導體器件中，MOSFET以高速、低開關損耗、低驅動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。在低壓領域，MOSFET沒有競 爭對手，但隨著MOS的耐壓提高，導通電阻隨之以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、導通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產(chǎn)生的導通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET 的額定結溫、額定電流條件下的導通電壓很高，耐壓800V以上的導通電壓高得驚人，導通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應用受到極大限制。

　　3.1降低高壓MOSFET導通電阻的原理與方法

　　3.1.1 不同耐壓的MOSFET的導通電阻分布。

　　不同耐壓的MOSFET，其導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 總導通電阻的29%，耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導通電阻將幾乎被外 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結構所導致的高導通電阻的根本原因。

　　3.1.2 降低高壓MOSFET導通電阻的思路。

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

　　以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導通電阻，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)域和導電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如除 導通時低摻雜的高耐壓外延層對導通電阻只能起增大作用外并無其他用途。這樣，是否可以將導電通道以高摻雜較低電阻率實現(xiàn)，而在MOSFET關斷時，設法使 這個通道以某種方式夾斷，使整個器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層?；谶@種思想，1988年INFINEON推出內建橫向電場耐壓為600V的 COOLMOS，使這一想法得以實現(xiàn)。內建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖5所示。

　　與常規(guī)MOSFET結構不同，內建橫向電場的MOSFET嵌入垂直P區(qū)將垂直導電區(qū)域的N區(qū)夾在中間，使MOSFET關斷時，垂直的P與N之間建立橫向電場，并且垂直導電區(qū)域的N摻雜濃度高于其外延區(qū)N-的摻雜濃度。

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

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

　　通過以上分析可以看到：阻斷電壓與導通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導通電阻的矛盾，同時也將阻斷時的表面PN結轉化為掩埋PN結，在相同的N-摻雜濃度時，阻斷電壓還可進一步提高。

　　3.2內建橫向電場MOSFET的主要特性

　　3.2.1 導通電阻的降低。

　　INFINEON的內建橫向電場的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，導通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結溫、額定電流條件下，導通電壓分別從12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；導通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對較涼，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