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自從IR(INTERNATIONAL RECTIFIED國際整流器公司)發明了第一個MOSFET（METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR金屬氧化物半導體場效應管）以來，MOSFET的性能的不斷提高，其在各種應用領域得以大量使用；鑒于MOSFET的各種優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自己的專利技術。IR的Direct FET™技術，Infineon Cool MOS的S-FET™技術,AATI的TrenchDMOS™…；伴隨之而來的專利的封裝技術。研發的重點依然在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”；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的產生對業界產生的推動以及帶來新的設計線路和設計方法；但是沒有一種元器件、一種設計方法可以滿足所有的應用。其次，需要看到雙極性晶體管也在向更高性能不斷發展，在某些領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都有它的優點和缺點,都有它的應用領域，本文我們將從幾個大家關心的方面進行討論。 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，已經基本發展到極至，目前已經缺乏技術飛躍的可能性，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導電，相對MOSFET來說，做到高壓容易多了。尤其是作為飽和開關的時候，集電極區阻抗的電導調制效應，極大的降低了Rce(sat),而MOSFET沒有類似的電導調制效應。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的導通電阻比較： 圖2 20V器件的導通電阻比較 3) 另一個值得關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，就需要并聯反向二極管或者用兩個MOSFET形成MOSFET對，而這當然會引起導通損耗增大。 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，現在大多廠家均掌握Trench MOSFET，縱向技術的發展，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。低壓大電流MOS已經在通訊、消費、汽車、工控、便攜等電子設備里廣泛使用；同時涌現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竟然連續幾年占其業績的50％以上！ 2）對于雙極性晶體管來說，根據Ic=B*Ib來看，其增大電流Ic的方法就是增大發達倍數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。其次就是開發大的放大倍數（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)下穩定良好的工作，因為要真正達到全增強（FULL ENHANCEMENT），達到象規格書上標注的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．驅動功率： 1）MOSFET僅僅需要基區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需要的驅動功率基本為零；高頻時驅動功率增加。 2）而晶體管需要足夠的基區電流Ib，來達到最低的Rce(sat),由此帶來基區損耗Pd=Ib*Vbe(sat)必須考慮在內.;如果需要基區驅動電阻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．導通電阻受溫度影響： 對于功率開關來說，導通電阻隨溫度變化的關系非常重要。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，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)變化很小（圖5），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，在管體導通前，需要橫向開拓電流通路，所以需要更多的半導體硅晶片。 2）而最優化的BIPOLAR TRANSISTOR，采取電流垂直流動（圖6），通過最小化base contact,發射區面積得到最大利用。 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 7． 開關速度： 1） MOSFET是多子飄移運動導電，具有絕對的優勢，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電，盡管最近幾年技術發展很快，出現許多高頻管，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，在設計的時候，門極和地之間經常要加上幾十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下，必然存在基極電流，因此輸入電阻比較小；導電機理是基區的非平衡的少數載流子的擴散運動，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也相當于發射區，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由外部的感性負載帶來的反向瞬態沖擊效應，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優點結合，就產生了IGBT（ISOLATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR）,他們共同組成了最基本的半導體器件。 |
