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(shì)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(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(shì)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(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。盡管它沒有對(duì)快速開關(guān)或低導(dǎo)通損耗進(jìn)行最優(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)值最低，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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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。

圖2：MOSFET結(jié)構(gòu)和符號(hào)。

   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的唯一途徑；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(shì)，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。