mosfet的案例
干貨 | 常見功率MOSFET損壞模式及分析
本文結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài)，論述了功率MOSFET管分別在過(guò)電流和過(guò)電壓條件下?lián)p壞的模式，并說(shuō)明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因，也分析了功率MOSFET管在關(guān)斷及開通過(guò)程中，發(fā)生失效形態(tài)的差別，從而為失效是在關(guān)斷還是在開通過(guò)程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出了測(cè)試過(guò)電流和過(guò)電壓的電路圖。同時(shí)，也分析了功率MOSFET管在動(dòng)態(tài)老化測(cè)試中慢速開通及在電池保護(hù)電路應(yīng)用中慢速關(guān)斷時(shí)，較長(zhǎng)時(shí)間工作在線性區(qū)時(shí)，損壞的形態(tài)。最后，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用，論述了功率MOSFET通常會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流和過(guò)電壓二種混合損壞方式損壞機(jī)理和過(guò)程。
目前，功率MOSFET管廣泛地應(yīng)用于開關(guān)電源系統(tǒng)及其它的一些功率電子電路中，然而，在實(shí)際的應(yīng)用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統(tǒng)的輸出短路及過(guò)載測(cè)試，輸入過(guò)電壓測(cè)試以及動(dòng)態(tài)的老化測(cè)試中，功率MOSFET有時(shí)候會(huì)發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導(dǎo)體原廠做失效分析后，得到的失效分析報(bào)告的結(jié)論通常是過(guò)電性應(yīng)力EOS，無(wú)法判斷是什么原因?qū)е?em>MOSFET的損壞。
本文將通過(guò)功率MOSFET管的工作特性，結(jié)合失效分析圖片中不同的損壞形態(tài)，系統(tǒng)的分析過(guò)電流損壞和過(guò)電壓損壞，同時(shí)，根據(jù)損壞位置不同，分析功率MOSFET管的失效是發(fā)生在開通的過(guò)程中，還是發(fā)生在關(guān)斷的過(guò)程中，從而為設(shè)計(jì)工程師提供一些依據(jù)，來(lái)找到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題，提高電子系統(tǒng)的可靠性。
展開 功率MOSFET教程
眾所周知，由于采用了絕緣柵，功率MOSFET器件只需很小的驅(qū)動(dòng)功率，且開關(guān)速度優(yōu)異。可以說(shuō)具有“理想開關(guān)”的特性。其主要缺點(diǎn)是開態(tài)電阻(RDS(on))和正溫度系數(shù)較高。本教程闡述了高壓N型溝道功率MOSFET的特性，并為器件選擇提供指導(dǎo)。最后，解釋了Microsemi公司Advanced Power Technology (ATP) MOSFET的數(shù)據(jù)表。
功率MOSFET結(jié)構(gòu)
圖1為APT N型溝道功率MOSFET剖面圖(本文只討論N型溝道MOSFET)。在柵極和源極間加正壓，將從襯底抽取電子到柵極。如果柵源電壓等于或者高于閾值電壓，柵極下溝道區(qū)域?qū)⒎e累足夠多的電子從而產(chǎn)生N型反型層；在襯底形成導(dǎo)電溝道(MOSFET被增強(qiáng))。電子在溝道內(nèi)沿任意方向流動(dòng)。電子從源極流向漏極時(shí)，產(chǎn)生正向漏極電流。溝道關(guān)斷時(shí)，正向漏極電流被阻斷，襯底與漏極之間的反偏PN結(jié)維持漏源之間的電勢(shì)差。對(duì)于N型MOSFET，正向?qū)〞r(shí)，只有電子流，沒有少子。開關(guān)速度僅受限于MOSFET內(nèi)寄生電容的充電和放電速率。因此，開關(guān)速率可以很快，開關(guān)損耗很低。開關(guān)頻率很高時(shí)，這讓功率MOSFET具有很高的效率。
圖1：N型溝道MOSFET剖面圖。
開態(tài)電阻
開態(tài)電阻RDS(on)主要受溝道、JFET(積累層)、漂移區(qū)和寄生效應(yīng)(多層金屬，鍵和線和封裝)等因素的影響電壓超過(guò)150V時(shí)，RDS(on)主要取決于漂移區(qū)電阻。
圖2：RDS(on)與電流的關(guān)系。
高壓MOSFET中RDS(on) 與電流的相關(guān)較弱。
展開 8要點(diǎn)掌握?qǐng)鲂?yīng)管MOSFET的型號(hào)選擇
來(lái)
源：芯智云電子分銷
01
什么是MOSFET?
場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)也叫場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關(guān)斷能力，而且具備輸入電阻高、噪聲小、功耗低、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度高、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)，MOSFET在組合邏輯電路、放大器、電源管理、測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。MOSFET按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道，同時(shí)又有耗盡型和增強(qiáng)型之分，目前市場(chǎng)主要應(yīng)用 N 溝道增強(qiáng)型。
MOSFET經(jīng)歷了3次器件結(jié)構(gòu)上的技術(shù)革新：溝槽型、超級(jí)結(jié)、屏蔽柵。每一次器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)化，在某些單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上產(chǎn)品性能得到質(zhì)的飛躍，大幅拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
（1）平面型功率MOSFET：誕生于1970s，具備易于驅(qū)動(dòng)，工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，但芯片面積相對(duì)較大，損耗較高。
（2）溝槽型功率MOSFET：誕生于1980s，易于驅(qū)動(dòng)，工作效率高，熱穩(wěn)定性好，損耗低，但耐壓低。
（3）超結(jié)功率MOSFET：誕生于1990s，易于驅(qū)動(dòng)，頻率超高、損耗極低，最新一代功率器件。
（4）屏蔽柵功率MOSFET：誕生于2000s，打破了硅材料極限，大幅降低了器件的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗。
展開 用于取代IGBT的碳化硅（SiC）MOSFET
圖2: 來(lái)自US4875083A（在碳化硅上形成的金屬絕緣體-半導(dǎo)體電容器）
奇怪的是，在SiC襯底上，一個(gè)描述簡(jiǎn)單的平面MOSFET晶體管的裝置專利似乎并不存在。很可能，這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)會(huì)被認(rèn)為是顯而易見的，不需要申請(qǐng)專利。還有一些專利描述在碳化硅襯底上制造MOSFET晶體管的方法，描述了基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單MOSFET結(jié)構(gòu)的變化。例如，Yoshihisa Fujii，Akira Suzuki和Katsuki Furukawa 在1990年提交US5170231A，描述了一種具有不對(duì)稱源/漏電導(dǎo)率的SiC MOSFET。此后不久，1992年，約翰·帕爾默（John Palmour）申請(qǐng)了開創(chuàng)性專利（US5506421A），描述了垂直溝槽柵極SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)。該申請(qǐng)是在1996年批準(zhǔn)的，現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)20年了，因此該專利已經(jīng)過(guò)期，所描述的概念現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入公有領(lǐng)域。但是，在此專利之后有許多與SiC MOSFET相關(guān)的專利仍然有效。例如，搜索顯示Cree擁有700多項(xiàng)與SiC MOSFET技術(shù)相關(guān)的有效專利。
US5506421A所示的垂直溝道SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)如下圖3所示。該專利聲稱垂直功率MOSFET具有低導(dǎo)通電阻和高溫范圍，形成于碳化硅襯底的C面，類似于N型。在襯底上方形成N-漂移層，然后是P-溝道層。溝槽柵極穿透P-溝道層，并且形成N +源極區(qū)。金屬源電極和漏電極分別位于管芯的頂部和底部。這種溝槽架構(gòu)有時(shí)稱為UMOS（U形柵極），以區(qū)別于平面DMOS（漂移MOS）設(shè)計(jì)。
圖3 US5506421A（功率MOSFET在碳化硅）
到了2011年， Cree推出了市場(chǎng)上第一個(gè)SiC功率MOSFET，即CMF20120D器件。CMF20120D是垂直N溝道增強(qiáng)型SiC MOSFET。
展開 
保護(hù)IGBT和MOSFET免受ESD損壞
摘要
功率MOSFET用戶都非常熟悉“靜電敏感器件”警告標(biāo)志。然而，越熟悉越容易大意。從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)看，單個(gè)MOSFET不太可能被靜電放電（ESD)損壞。然而，在處理成千上萬(wàn)個(gè)MOSFET時(shí)，極小的故障都可能帶來(lái)極大的影響。
一個(gè)有效的ESD防控方案必定是詳盡而具體的。但它的基本概念可概括為下列10條：
1. 確保使用封閉的導(dǎo)電容器儲(chǔ)存并運(yùn)輸MOSFET。
2. 僅在靜電控制工作站接地后才從容器中移走MOSFET。
3. 處理功率MOSFET的工作人員應(yīng)穿戴防靜電服，并始終接地。
4. 地板應(yīng)鋪設(shè)接地的防靜電地毯或進(jìn)行靜電耗散處理。
5. 桌子應(yīng)鋪設(shè)接地的靜電耗散桌布。
6. 避免使用任何類型的絕緣材料。
7. 僅在一次性應(yīng)用中使用防靜電材料。
8. 務(wù)必使用接地烙鐵安裝MOSFET。
9. 僅在靜電控制工作站測(cè)試MOSFET。
10. 同時(shí)采取上述所有防護(hù)措施，并確保工作人員經(jīng)過(guò)培訓(xùn)。
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什么是ESD？
ESD是靜電放電。靜電是指一個(gè)表面相對(duì)于另一個(gè)表面或地產(chǎn)生的電子過(guò)量或不足。電子過(guò)量的表面帶負(fù)電，電子不足的表面帶正電。靜電的電壓（伏特）和電荷（庫(kù)倫）是可測(cè)量的。
物體上的靜電荷會(huì)導(dǎo)致電子分布的不平衡。當(dāng)電子從一個(gè)物體向另一個(gè)電壓電勢(shì)不同的物體轉(zhuǎn)移而嘗試重新建立平衡時(shí)，發(fā)生靜電放電（ESD）。靜電敏感器件（如功率MOSFET)成為放電路徑的一部分，或者位于靜電場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，它可能被永久性損壞。
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靜電的產(chǎn)生
摩擦起電是最常見的靜電起電方式。摩擦兩種材料，即，兩種材料接觸后再分離會(huì)產(chǎn)生摩擦起電。
展開 MOSFET與IGBT的區(qū)別
1、由于MOSFET的結(jié)構(gòu)，通常它可以做到電流很大，可以到上KA，但耐壓能力沒有IGBT強(qiáng)。
2、IGBT可以做很大功率，電流和電壓都可以，就是一點(diǎn)頻率不是太高，目前IGBT硬開關(guān)速度可以到100KHZ，那已經(jīng)是不錯(cuò)了。不過(guò)相對(duì)于MOSFET的工作頻率還是九牛一毛，MOSFET可以工作到幾百KHZ，上MHZ，以至幾十MHZ。
3、就其應(yīng)用：根據(jù)其特點(diǎn)MOSFET應(yīng)用于開關(guān)電源,鎮(zhèn)流器,高頻感應(yīng)加熱；高頻逆變焊機(jī)；通信電源等等高頻電源領(lǐng)域；IGBT集中應(yīng)用于焊機(jī)，逆變器，變頻器，電鍍電解電源，超音頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。
開關(guān)電源(SMPS) 的性能在很大程度上依賴于功率半導(dǎo)體器件的選擇，即開關(guān)管和整流器。
雖然沒有萬(wàn)全的方案來(lái)解決選擇IGBT還是MOSFET的問(wèn)題，但針對(duì)特定SMPS應(yīng)用中的IGBT 和 MOSFET進(jìn)行性能比較，確定關(guān)鍵參數(shù)的范圍還是能起到一定的參考作用。
本文將對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行探討，如硬開關(guān)和軟開關(guān)ZVS(零電壓轉(zhuǎn)換) 拓?fù)渲械拈_關(guān)損耗，并對(duì)電路和器件特性相關(guān)的三個(gè)主要功率開關(guān)損耗—導(dǎo)通損耗、傳導(dǎo)損耗和關(guān)斷損耗進(jìn)行描述。此外，還通過(guò)舉例說(shuō)明二極管的恢復(fù)特性是決定MOSFET 或 IGBT導(dǎo)通開關(guān)損耗的主要因素，討論二極管恢復(fù)性能對(duì)于硬開關(guān)拓?fù)涞挠绊憽?導(dǎo)通損耗
除了IGBT的電壓下降時(shí)間較長(zhǎng)外，IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)通特性十分類似。由基本的IGBT等效電路（見圖1）可看出，完全調(diào)節(jié)PNP BJT集電極基極區(qū)的少數(shù)載流子所需的時(shí)間導(dǎo)致了導(dǎo)通電壓拖尾出現(xiàn)。
展開 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
圖9：平面型碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖
圖10：CoolSiC溝槽型門極結(jié)構(gòu)
碳化硅MOSFET的特性
與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導(dǎo)通電阻小，寄生參數(shù)小等特點(diǎn)，另外其體二極管特性也比硅MOSFET大為提升。圖11是英飛凌碳化硅650V 耐壓MOSFET CoolSiC與目前業(yè)界體二極管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的兩項(xiàng)主要指標(biāo)RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對(duì)比，前一項(xiàng)是衡量體二極管反向恢復(fù)特性的指標(biāo)，后一項(xiàng)是衡量MOSFET輸出電容上存儲(chǔ)的電荷量的指標(biāo)。這兩項(xiàng)數(shù)值越小，表明反向恢復(fù)特性越好，存儲(chǔ)的電荷越低（
軟開關(guān)拓?fù)渲校霕蚪Y(jié)構(gòu)上下功率管所需要的死區(qū)越短）
。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近導(dǎo)通電阻的硅MOSFET，反向恢復(fù)電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。因此碳化硅MOSFET特別適合于體二極管會(huì)被硬關(guān)斷的拓?fù)? （例如電流連續(xù)模式圖騰柱無(wú)橋PFC）
及軟開關(guān)拓?fù)? （LLC，移相全橋等）
。
碳化硅MOSFET還有一項(xiàng)出眾的特性：短路能力。相比硅MOSFET短路時(shí)間大大提升，這對(duì)于變頻器等馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用非常重要，圖12給出了CoolSiC、CoolMOS短路能力的對(duì)比圖。
展開 干貨 | 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
為了解決這個(gè)問(wèn)題碳化硅MOSFET 產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的門極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門極結(jié)構(gòu)如圖10所示。采用此結(jié)構(gòu)后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強(qiáng)相關(guān)，那么可以在保證門極高靠可行性同時(shí)導(dǎo)通電阻仍舊可以做到極低。
圖9：平面型碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖
圖10：CoolSiC溝槽型門極結(jié)構(gòu)
碳化硅MOSFET的特性
與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導(dǎo)通電阻小，寄生參數(shù)小等特點(diǎn)，另外其體二極管特性也比硅MOSFET大為提升。圖11是英飛凌碳化硅650V 耐壓MOSFET CoolSiC與目前業(yè)界體二極管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的兩項(xiàng)主要指標(biāo)RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對(duì)比，前一項(xiàng)是衡量體二極管反向恢復(fù)特性的指標(biāo)，后一項(xiàng)是衡量MOSFET輸出電容上存儲(chǔ)的電荷量的指標(biāo)。這兩項(xiàng)數(shù)值越小，表明反向恢復(fù)特性越好，存儲(chǔ)的電荷越低（軟開關(guān)拓?fù)渲校霕蚪Y(jié)構(gòu)上下功率管所需要的死區(qū)越短）。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近導(dǎo)通電阻的硅MOSFET，反向恢復(fù)電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。
展開 又有車規(guī)級(jí)溝槽型SiC MOSFET
▲ 2016年，富士電機(jī)開發(fā)了溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，閾值電壓5 V，導(dǎo)通電阻3.5mΩcm2。
▲ 2018年12月，住友電工已經(jīng)開發(fā)出SiC VMOSFET，實(shí)現(xiàn)了1170V/0.63mΩcm2的低導(dǎo)通態(tài)電阻。
▲ 2019年9月，三菱電機(jī)宣布開發(fā)出溝槽型SiC MOSFET，導(dǎo)通電阻1.84mΩcm2，擊穿電壓超過(guò)1500V。
▲ 2020年12月10日，電裝宣布開始批量生產(chǎn)SiC溝槽MOSFET。
● 博世
博世汽車電子高級(jí)副總裁 Ralf Bornefeld表示，十多年前，他們就將目光投向了具有垂直架構(gòu)的SiC溝槽MOSFET，開發(fā)了一種稱為博世工藝的高縱橫比等離子蝕刻工藝，以在晶圓上形成深而陡峭的孔和溝槽。
● 日立
2021年4月，日立發(fā)布了一款號(hào)稱“業(yè)界最節(jié)能”的TED-MOS溝槽結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET 。
● 西安交通大學(xué)
2021年12月，我國(guó)國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET技術(shù)獲得新突破——溝道遷移率提升近200%。西安交通大學(xué)聯(lián)合西安電子科技大學(xué)的共同研究成果，不僅實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的SiO2/SiC界面、高的溝道遷移率和介電可靠性，更令人鼓舞的是，他們所提出的高效低溫退火工藝與標(biāo)準(zhǔn)SiC MOSFET 制造工藝兼容，為制備高性能SiC MOSFET器件提供了新的有效方法，方便用于商用器件的制備。
● 日本京都大學(xué)
2021年10月，日本京都大學(xué)官網(wǎng)宣布，他們成功開發(fā)一款溝槽型SiC MOSFET原型，通過(guò)獨(dú)特的方法降低SiC的缺陷，晶體管性能提高了6倍以上。
由于溝道遷移率提高了6至80倍，因此600 V SiC-MOSFET的溝道電阻僅為現(xiàn)有產(chǎn)品的1/6以下。
展開 MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的分類及工作原理
2.2 MOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管
N溝道增強(qiáng)型MOSFET的伏安特性曲線，如下圖。
左圖為轉(zhuǎn)移特性，右圖為輸出特性、共用縱軸。
判斷MOSFET的工作狀態(tài)
MOSFET的工作狀態(tài)相對(duì)較簡(jiǎn)單。它的D和S是明確區(qū)分的，嚴(yán)禁接反。因此。
N溝道MOSFET的外部電源電流，只能由D流向S。
P溝道MOSFET的外部電源電流，只能由S流向D。
MOSFET也可以工作在截止區(qū)、可變電阻區(qū)、以及恒流區(qū)。
根據(jù)下表可以判斷MOSFET的工作狀態(tài)。
N溝道
MOSFET
UGS≤UGSTH
UGS＞UGSTH
UGS>0V
截止區(qū)
UDS＜UDS_DV，可變電阻區(qū)
異常狀態(tài)
UDS＞UDS_DV，恒流區(qū)
P溝道
MOSFET
UGS≥UGSTH
UGS ＜UGSTH
UGS＜0V
截止區(qū)
UDS＜UDS_DV，恒流區(qū)
異常狀態(tài)
UDS＞UDS_DV， 可變電阻區(qū)
注：UDS_DV為分界點(diǎn)電壓。
3 結(jié)語(yǔ)
本文主要介紹了場(chǎng)效應(yīng)管的歷史、分類、電路符號(hào)以及如何判斷場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)的基礎(chǔ)知識(shí)。
場(chǎng)效應(yīng)管的核心原理是，GS兩端的電壓，控制漏極電流iD。因此其也被稱為“壓控型”器件。而雙極型晶體管BJT屬于流控型器件，即iB控制iC。
展開 智芯研報(bào) | 用于取代IGBT的碳化硅（SiC）MOSFET 發(fā)展回顧（附產(chǎn)業(yè)地圖）
圖2: 來(lái)自US4875083A（在碳化硅上形成的金屬絕緣體-半導(dǎo)體電容器）
奇怪的是，在SiC襯底上，一個(gè)描述簡(jiǎn)單的平面MOSFET晶體管的裝置專利似乎并不存在。很可能，這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)會(huì)被認(rèn)為是顯而易見的，不需要申請(qǐng)專利。還有一些專利描述在碳化硅襯底上制造MOSFET晶體管的方法，描述了基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單MOSFET結(jié)構(gòu)的變化。例如，Yoshihisa Fujii，Akira Suzuki和Katsuki Furukawa 在1990年提交US5170231A，描述了一種具有不對(duì)稱源/漏電導(dǎo)率的SiC MOSFET。此后不久，1992年，約翰·帕爾默（John Palmour）申請(qǐng)了開創(chuàng)性專利（US5506421A），描述了垂直溝槽柵極SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)。該申請(qǐng)是在1996年批準(zhǔn)的，現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)20年了，因此該專利已經(jīng)過(guò)期，所描述的概念現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入公有領(lǐng)域。但是，在此專利之后有許多與SiC MOSFET相關(guān)的專利仍然有效。例如，搜索顯示Cree擁有700多項(xiàng)與SiC MOSFET技術(shù)相關(guān)的有效專利。
US5506421A所示的垂直溝道SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)如下圖3所示。該專利聲稱垂直功率MOSFET具有低導(dǎo)通電阻和高溫范圍，形成于碳化硅襯底的C面，類似于N型。在襯底上方形成N-漂移層，然后是P-溝道層。溝槽柵極穿透P-溝道層，并且形成N +源極區(qū)。金屬源電極和漏電極分別位于管芯的頂部和底部。這種溝槽架構(gòu)有時(shí)稱為UMOS（U形柵極），以區(qū)別于平面DMOS（漂移MOS）設(shè)計(jì)。
圖3 US5506421A（功率MOSFET在碳化硅）
到了2011年， Cree推出了市場(chǎng)上第一個(gè)SiC功率MOSFET，即CMF20120D器件。CMF20120D是垂直N溝道增強(qiáng)型SiC MOSFET。
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碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯(lián)應(yīng)用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向?qū)娮璧汀㈤_關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電路筒單等優(yōu)點(diǎn)。碳化硅MOSFET的漂移區(qū)相對(duì)較薄，它的正向?qū)娮璧停瑢?dǎo)通損耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統(tǒng)硅IGBT，在相同的耐壓和導(dǎo)流能力條件下碳化硅MOSFET的面積可以更小，從而其結(jié)電容也更小（相對(duì)介電常數(shù)：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），較小的結(jié)電容使得器件的開關(guān)速度更快。
碳化硅MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)功耗較低，而柵氧結(jié)構(gòu)讓它的柵極輸入阻抗極大，所以碳化硅MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)筒單，并且從電路拓?fù)渖蟻?lái)說(shuō)傳統(tǒng)硅IGBT的驅(qū)動(dòng)電路可以直接驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET，所以碳化硅功率MOSFET被視為硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用圖2.3中的垂直型DMOS來(lái)說(shuō)明。
當(dāng)柵源之間存在正偏壓，并且高于閾值電壓時(shí)，柵極下方在SiC表面形成了反型溝道，從源極到漏極形成了導(dǎo)電通路，MOSFET導(dǎo)電通路的等效電阻由如圖2.3中所示的幾個(gè)部分等效電阻串聯(lián)組成。
當(dāng)柵源之間短路或者在柵源之間施加反偏電壓時(shí)，溝道被斷開，源極到漏極的電流通路不復(fù)存在，漏源之間開始具備承受高電壓應(yīng)力的條件。
展開 SiC MOSFET新結(jié)構(gòu)：可靠性提升10倍，電流增加100%
2020年?yáng)|芝電子開發(fā)了新的SiC MOSFET結(jié)構(gòu)，將可靠性提升了
10倍
。
昨天
，
東芝官網(wǎng)宣布，他們對(duì)該
結(jié)構(gòu)進(jìn)行
改良，
開發(fā)了3.3kV的SiC MOSFET。
據(jù)介紹，在不犧牲可靠性的同時(shí)，又將電流增加了1倍，將導(dǎo)通電阻降低了20%。該器件的樣品已于今年5月發(fā)貨。
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SiC MOSFET新結(jié)構(gòu)
可靠性提升10倍
2020年7月，東芝宣布推出一種新的器件結(jié)構(gòu)，將SiC MOSFET可靠性提高10倍以上。
碳化硅
可
廣泛應(yīng)用
太陽(yáng)能
光伏
和
工業(yè)
電源等
領(lǐng)域，但
目前
有2個(gè)“攔路虎”
——除了需要降低成本外，還需提高碳化硅器件的
可靠性。
據(jù)東芝解釋，當(dāng)源漏之間的PN二極管通電時(shí)，會(huì)使SiC MOSFET帶電，造成導(dǎo)通電阻產(chǎn)生變動(dòng)，進(jìn)而有損于器件的可靠性。
為此，東芝開發(fā)了一種SBD嵌入式MOSFET結(jié)構(gòu)，可在抑制導(dǎo)通電阻增大的同時(shí)，提升器件可靠性。
2
020年8月，東芝利用這項(xiàng)新技術(shù)量產(chǎn)了1.2kV的SiC MOSFET。
圖1：SBD嵌入式SiC MOSFET截面結(jié)構(gòu)
據(jù)介紹，該結(jié)構(gòu)中有一個(gè)與電池單元內(nèi)的PN結(jié)二極管平行設(shè)置的SBD，可防止PN結(jié)二極管帶電。相較于PN結(jié)二極管，內(nèi)嵌SBD結(jié)構(gòu)的通態(tài)電壓更低，因此電流會(huì)通過(guò)內(nèi)嵌SBD，進(jìn)而抑制導(dǎo)通電阻變化和MOSFET可靠性下降等問(wèn)題。
展開 晶體管BJT和MOSFET是如何工作的?
2.2 選擇元器件的值
R1的值并不重要，但大約10kΩ應(yīng)該可以正常工作，它的目的是關(guān)閉MOSFET。
R2用來(lái)設(shè)置LED的亮度。對(duì)于大多數(shù)LED來(lái)說(shuō)，1kΩ應(yīng)該工作得很好。
Q1幾乎可以是任何N溝道MOSFET，例如BS170。
2.3 如何關(guān)閉MOSFET
關(guān)于MOSFET的一件重要的特性是，它的作用也有點(diǎn)像電容器。即柵極和源極部分，當(dāng)你在柵極和源極之間施加電壓時(shí)，這個(gè)電壓會(huì)一直保持到放電為止。
如果沒有上面例子中的電阻(R1)，晶體管就不會(huì)關(guān)閉。有了電阻R1，柵極源極電容就有了放電的閉環(huán)回路，從而使晶體管再次關(guān)閉。
2.4 如何選擇MOSFET晶體管
上面的示例使用N通道MOSFET和P通道MOSFET的工作方式是一樣的，只是電流流向相反的方向，并且柵極到電源電壓必須是負(fù)值才能打開它。
有數(shù)千種不同的MOSFET可供選擇。但如果你想建立上面的例子電路，并想要一個(gè)具體的建議，BS 170和IRF 510是兩個(gè)很常用的。
在選擇MOSFET時(shí)要記住兩件事：
這個(gè)柵-源閾值電壓。你需要更高的電壓才能打開晶體管。
這個(gè)連續(xù)漏電流。這是流經(jīng)晶體管的最大電流。
還有其他重要的參數(shù)需要記住，這取決于你在做什么。但這不在本文的范圍之內(nèi)。記住以上兩個(gè)參數(shù)，您就有了一個(gè)很好的開始。
2.5 MOSFET柵電流
如果你想控制一個(gè)MOSFET，例如，單片機(jī)，Arduino或Raspberry PI，還有一件事你需要記住：當(dāng)你打開晶體管時(shí)，流進(jìn)柵極的電流。
如前所述，MOSFET的柵到源充當(dāng)電容器，這意味著一旦充電，就不會(huì)有更多的電流流過(guò)。
展開 半導(dǎo)體概念科普——MOSFET是什么：工作原理及其應(yīng)用
一、什么是MOSFET？
MOS的英文全稱就是MOSFET,其中后綴FET是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫，F(xiàn)ET是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。
FET是具有源極（S），柵極（G），漏極（D）和主體（B）端子的四端子設(shè)備。FET通過(guò)向柵極施加電壓來(lái)控制電流，從而改變漏極和源極之間的電導(dǎo)率。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。也就是說(shuō)，F(xiàn)ET在其操作中使用電子或空穴作為電荷載流子，但不能同時(shí)使用兩者。
場(chǎng)效應(yīng)管主要有兩種類型，分別是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管）。
MOSFET的中文全稱是金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于這種場(chǎng)效應(yīng)管的柵極被絕緣層隔離，所以又叫絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。
MOSFET由Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng于1959年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，并于1960年6月首次推出。它是現(xiàn)代電子學(xué)的基本組成部分，也是歷史上最常用的器件，自1960年代以來(lái)，MOSFET的縮小和小型化一直在推動(dòng)電子半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了諸如存儲(chǔ)芯片和微處理器之類的高密度IC。MOSFET被認(rèn)為是電子行業(yè)的“主力軍”。
二、MOSFET的結(jié)構(gòu)
通常，MOSFET的主體B與源極S端子相連，因此形成了一個(gè)三端設(shè)備，一般結(jié)構(gòu)如下：
上圖是原理性的，原理上源極和漏極確實(shí)是對(duì)稱且不區(qū)分的。但在實(shí)際應(yīng)用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個(gè)二極管，起保護(hù)作用，正是這個(gè)二極管決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便于實(shí)用。
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