|
自從IR(INTERNATIONAL RECTIFIED國際整流器公司)發(fā)明了第一個MOSFET（METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）以來，MOSFET的性能的不斷提高，其在各種應(yīng)用領(lǐng)域得以大量使用；鑒于MOSFET的各種優(yōu)良特性和良好的前景，各大電子元器件廠家紛紛投入大的人力研發(fā)自己的專利技術(shù)。IR的Direct FET™技術(shù)，Infineon Cool MOS的S-FET™技術(shù),AATI的TrenchDMOS™…；伴隨之而來的專利的封裝技術(shù)。研發(fā)的重點依然在Rds(ON)的降低，柵極總電荷Qg的減少等。 而雙極性晶體管“似乎”被人們越來越“看不起”，被很多人看作是“舊技術(shù)”；甚至有人斷言：不久的將來，MOSFET將完全取代BIPOLAR TRANSISTOR，尤其當需要高速度，高效率的時候。這種觀點是站不住腳 的；首先，我們可以理解新技術(shù)的產(chǎn)生對業(yè)界產(chǎn)生的推動以及帶來新的設(shè)計線路和設(shè)計方法；但是沒有一種元器件、一種設(shè)計方法可以滿足所有的應(yīng)用。其次，需要看到雙極性晶體管也在向更高性能不斷發(fā)展，在某些領(lǐng)域同樣有著不可替代的作用。比如ZETEX，不斷的推出新的高性能的BIPOLAR TRANSISTOR，每一種元器件和技術(shù)都有它的優(yōu)點和缺點,都有它的應(yīng)用領(lǐng)域，本文我們將從幾個大家關(guān)心的方面進行討論。 1．擊穿電壓： 1) 對于MOSFET來說， BVDSS（漏源擊穿電壓）在400V~1000V而言，到80年代末，已經(jīng)基本發(fā)展到極至，目前已經(jīng)缺乏技術(shù)飛躍的可能性，Rds(ON)的改善，往往僅靠早期的大封裝（諸如TO-220,D-Pack等）增大硅晶片的面積來達到；我們知道PLANER技術(shù)的缺點就是Rds(ON)的迅速上升，Rds(ON)∝BV2.6，功耗增大，這成為MOSFET向高壓發(fā)展的瓶頸。 2) 而對雙極性晶體管來說，由于采用的是少子的PLANER導(dǎo)電，相對MOSFET來說，做到高壓容易多了。尤其是作為飽和開關(guān)的時候，集電極區(qū)阻抗的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，極大的降低了Rce(sat),而MOSFET沒有類似的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。Rce(sat)∝BV2 （圖1） 圖1 ZETEX 3rd 晶體管的Rce(on) vs BV 例： ZETEX的FMMT459，Bvces=450V,Ic=150mA,Rce(sat)typ=1.4ohm,SOT-23封裝；而同樣的參數(shù)的MOSFET，需要DPAK這樣的大的封裝。下圖（圖2）是20V擊穿電壓條件下，晶體管和MOSFET的導(dǎo)通電阻比較： 圖2 20V器件的導(dǎo)通電阻比較 3) 另一個值得關(guān)注的問題是雙極性晶體管擊穿電壓的雙向性;而MOSFET的擊穿電壓是單向的，這主要是由于體二極管造成的；對MOSFET來說，如果存在反壓擊穿問題，就需要并聯(lián)反向二極管或者用兩個MOSFET形成MOSFET對，而這當然會引起導(dǎo)通損耗增大。 2．大電流： 1）對MOSFET來說，高壓MOS由于受到Rds(ON)的影響，目前作大電流受到一定的限制；而在低壓MOSFET中，現(xiàn)在大多廠家均掌握Trench MOSFET，縱向技術(shù)的發(fā)展，極低的Rds(ON)，使得Id很容易就達到幾十A，甚至上百A，各種利于散熱的專利封裝空前涌現(xiàn)。低壓大電流MOS已經(jīng)在通訊、消費、汽車、工控、便攜等電子設(shè)備里廣泛使用；同時涌現(xiàn)出一批專攻低壓大電流MOS的公司，比如臺系排行第三的ANPEC（茂達電子），低壓(<100V)MOS竟然連續(xù)幾年占其業(yè)績的50％以上！ 2）對于雙極性晶體管來說，根據(jù)Ic=B*Ib來看，其增大電流Ic的方法就是增大發(fā)達倍數(shù)B。第一種方法就是用達林頓管，通過幾個晶體管的放大倍數(shù)相乘，達到小的基極電流控制大的集電極電流的目的。其次就是開發(fā)大的放大倍數(shù)（B）的晶體管，諸如ZETEX的Super-B Transistor,單個晶體管就可以達到Ic=10A.（continuous） 3．驅(qū)動電壓： 1）對于電壓型的MOSFET來說，近年來很多廠家推出了許多Vgs(th)低于1V的MOSFET；但是這僅僅是開門電壓，并不意味著它們可以在Vgs＝Vgs(th)下穩(wěn)定良好的工作，因為要真正達到全增強（FULL ENHANCEMENT），達到象規(guī)格書上標注的Rds(ON),大多標準的MOSFET需要10V左右的Vgs，低Vgs(th)的器件也差不多要3－5V左右。由此看，大多MOSFET不能用MCU或DSP直接輸出控制。尤其是當耐壓增大的時候，絕緣層變厚，需要的導(dǎo)通閥值電壓迅速上升。此外，Vth受溫度影響較大，4－6mV/度。 2） 對于電流型的雙極性晶體管來說，僅僅需要滿足Vbe 就可以進行電流的正常增益。小電流的管Vbe甚至可以低至0.4V,對于中大電流的可能需要1V；這樣來看，BIPOLAR TRANSISTOR可以比MOSFET更方便的使用MCU或DSP的輸出直接控制。而且Vbe隨溫度變化不大：大約2mV/度。圖3 圖3 Vbe(sat) 隨溫度變化曲線 4．驅(qū)動功率： 1）MOSFET僅僅需要基區(qū)電流給它的門極電容充放電，因此在低頻和直流電的情況下，MOSFET需要的驅(qū)動功率基本為零；高頻時驅(qū)動功率增加。 2）而晶體管需要足夠的基區(qū)電流Ib，來達到最低的Rce(sat),由此帶來基區(qū)損耗Pd=Ib*Vbe(sat)必須考慮在內(nèi).;如果需要基區(qū)驅(qū)動電阻Rb的話，還要加上這個電阻的損耗Pr=[Vlogic-Vbe(sat)]/Rb.可以通過增大晶體管的增益來減小這些損耗，高增益的單個晶體管就可以達到mA級電流控制A級的電流的效果。 5．導(dǎo)通電阻受溫度影響： 對于功率開關(guān)來說，導(dǎo)通電阻隨溫度變化的關(guān)系非常重要。隨著溫度的升高，各組成部分的純電阻上升。 1）在操作溫度范圍內(nèi)，隨著溫度上升，MOSFET的Rds(ON)基本按照2倍左右的正斜率上升；大約是0.64%/度（見圖4）在驅(qū)動條件一定的情況下，MOSFET可以通過降低開啟的門限電壓來補償； 2） 對晶體管來說，隨著溫度的上升，增益也迅速上升，Vce(sat)變化很�。▓D5），Rce(sat)上升的速率差不多是Rds(ON)的一半：大約是0.38%/度。在相同的硅面積下，晶體管的溫升更小，電流密度高。 圖4 Rds(ON) 隨溫度變化曲線 圖5 不同溫度下 Vce(sat) VS Ic 6．硅的利用率： 1）對MOSFET來說，在管體導(dǎo)通前，需要橫向開拓電流通路，所以需要更多的半導(dǎo)體硅晶片。 2）而最優(yōu)化的BIPOLAR TRANSISTOR，采取電流垂直流動（圖6），通過最小化base contact,發(fā)射區(qū)面積得到最大利用。 從這個意義上說，相同硅晶片的晶體管比MOS管更能有效的傳輸電流，從而可以減小封裝。 圖6 ZETEX最新幾何技術(shù) 7． 開關(guān)速度： 1） MOSFET是多子飄移運動導(dǎo)電，具有絕對的優(yōu)勢，很容易達到幾百KHz,甚至幾M,乃至幾十MHz； 2） 三極管是少子的擴散運動導(dǎo)電，盡管最近幾年技術(shù)發(fā)展很快，出現(xiàn)許多高頻管，但是能達到100K就相當不容易了。 8．防靜電ESD: 1） MOSFET 對靜電敏感，尤其是門極電荷累積過多而不能及時放掉的話，很容易造成門極擊穿；除了運輸和保管的時采取正確措施外，在設(shè)計的時候，門極和地之間經(jīng)常要加上幾十Kohm的放電電阻。 2）而雙極性晶體管抗靜電能力相對較強，可以比較順利的通過標準的人體靜電模式測試。 9．抗干擾能力： 1）MOSFET的輸入電流幾乎為零，輸入電阻極大，依靠多數(shù)載流子的飄移運動形成電流；抗外界干擾能力較強。 2）晶體管在放大或飽和狀態(tài)下，必然存在基極電流，因此輸入電阻比較�。粚�(dǎo)電機理是基區(qū)的非平衡的少數(shù)載流子的擴散運動，更容易受溫度、射線等外界因素的影響。 10．反向增益(hFC)： 這個特性只有雙極性晶體管具有。由于高摻雜的集電區(qū)也相當于發(fā)射區(qū)，在低壓變量的時候，反向增益的峰值有可能達到正向增益峰值的30％――50％；例如，ZETEX的Super-B晶體管反向增益峰值可以達到100――300。反向增益的典型用途之一是可以傳導(dǎo)由外部的感性負載帶來的反向瞬態(tài)沖擊效應(yīng)，也就可以省略保護二極管了。 圖7 ZETEX 晶體管FMMT717反向增益曲線圖 將MOSFET和BIPOLAR TRANSISTOR優(yōu)點結(jié)合，就產(chǎn)生了IGBT（ISOLATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR）,他們共同組成了最基本的半導(dǎo)體器件。 |
