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双极性晶体管VS MOSFET
来源:EDN电子设计技术 作者:世健国际贸易(上海)有限公司 技术支持 姜永辉 B.R.J.WALLACE 2005/11/3 0:00:00 人气:459
内容导读:

       自从IR(INTERNATIONAL RECTIFIED国际整流器公司)发明了第一个MOSFET(METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR金属氧化物半导体场效应管)以来,MOSFET的性能的不断提高,其在各种应用领域得以大量使用;鉴于MOSFET的各种优良特性和良好的前景,各大电子元器件厂家纷纷投入大的人力研发自己的专利技术。IR的Direct FET™技术,Infineon Cool MOS的S-FET™技术,AATI的TrenchDMOS™…;伴随之而来的专利的封装技术。研发的重点依然在Rds(ON)的降低,栅极总电荷Qg的减少等。

       而双极性晶体管“似乎”被人们越来越“看不起”,被很多人看作是“旧技术”;甚至有人断言:不久的将来,MOSFET将完全取代BIPOLAR TRANSISTOR,尤其当需要高速度,高效率的时候。这种观点是站不住脚的;首先,我们可以理解新技术的产生对业界产生的推动以及带来新的设计线路和设计方法;但是没有一种元器件、一种设计方法可以满足所有的应用。其次,需要看到双极性晶体管也在向更高性能不断发展,在某些领域同样有着不可替代的作用。比如ZETEX,不断的推出新的高性能的BIPOLAR TRANSISTOR,每一种元器件和技术都有它的优点和缺点,都有它的应用领域,本文我们将从几个大家关心的方面进行讨论。   

       1.击穿电压:

       1)对于MOSFET来说, BVDSS(漏源击穿电压)在400V~1000V而言,到80年代末,已经基本发展到极至,目前已经缺乏技术飞跃的可能性,Rds(ON)的改善,往往仅靠早期的大封装(诸如TO-220,D-Pack等)增大硅晶片的面积来达到;我们知道PLANER技术的缺点就是Rds(ON)的迅速上升,Rds(ON)∝BV2.6,功耗增大,这成为MOSFET向高压发展的瓶颈。

       2)而对双极性晶体管来说,由于采用的是少子的PLANER导电,相对MOSFET来说,做到高压容易多了。尤其是作为饱和开关的时候,集电极区阻抗的电导调制效应,极大的降低了Rce(sat),而MOSFET没有类似的电导调制效应。Rce(sat)∝BV2    (图1)

 图1  ZETEX 3rd 晶体管的Rce(on) vs BV

       例: ZETEX的FMMT459,Bvces=450V,Ic=150mA,Rce(sat)typ=1.4ohm,SOT-23封装;而同样的参数的MOSFET,需要DPAK这样的大的封装。下图(图2)是20V击穿电压条件下,晶体管和MOSFET的导通电阻比较:

图2  20V器件的导通电阻比较

       3) 另一个值得关注的问题是双极性晶体管击穿电压的双向性;而MOSFET的击穿电压是单向的,这主要是由于体二极管造成的;对MOSFET来说,如果存在反压击穿问题,就需要并联反向二极管或者用两个MOSFET形成MOSFET对,而这当然会引起导通损耗增大。

       2.大电流:

       1)对MOSFET来说,高压MOS由于受到Rds(ON)的影响,目前作大电流受到一定的限制;而在低压MOSFET中,现在大多厂家均掌握Trench MOSFET,纵向技术的发展,极低的Rds(ON),使得Id很容易就达到几十A,甚至上百A,各种利于散热的专利封装空前涌现。低压大电流MOS已经在通讯、消费、汽车、工控、便携等电子设备里广泛使用;同时涌现出一批专攻低压大电流MOS的公司,比如台系排行第三的ANPEC(茂达电子),低压(<100V)MOS竟然连续几年占其业绩的50%以上!

       2)对于双极性晶体管来说,根据I

c=B*Ib来看,其增大电流Ic的方法就是增大发达倍数B。第一种方法就是用达林顿管,通过几个晶体管的放大倍数相乘,达到小的基极电流控制大的集电极电流的目的。其次就是开发大的放大倍数(B)的晶体管,诸如ZETEX的Super-B Transistor,单个晶体管就可以达到Ic=10A.(continuous)

       3.驱动电压:

       1)对于电压型的MOSFET来说,近年来很多厂家推出了许多Vgs(th)低于1V的MOSFET;但是这仅仅是开门电压,并不意味着它们可以在Vgs=Vgs(th)下稳定良好的工作,因为要真正达到全增强(FULL ENHANCEMENT),达到象规格书上标注的Rds(ON),大多标准的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直接输出控制。尤其是当耐压增大的时候,绝缘层变厚,需要的导通阀值电压迅速上升。此外,Vth受温度影响较大,4-6mV/度。

       2) 对于电流型的双极性晶体管来说,仅仅需要满足Vbe 就可以进行电流的正常增益。小电流的管Vbe甚至可以低至0.4V,对于中大电流的可能需要1V;这样来看,BIPOLAR TRANSISTOR可以比MOSFET更方便的使用MCU或DSP的输出直接控制。而且Vbe随温度变化不大:大约2mV/度。图3

 图3    Vbe(sat) 随温度变化曲线

       4.驱动功率:

       1)MOSFET仅仅需要基区电流给它的门极电容充放电,因此在低频和直流电的情况下,MOSFET需要的驱动功率基本为零;高频时驱动功率增加。

       2)而晶体管需要足够的基区电流Ib,来达到最低的Rce(sat),由此带来基区损耗Pd=Ib*Vbe(sat)必须考虑在内.;如果需要基区驱动电阻Rb的话,还要加上这个电阻的损耗Pr=[Vlogic-Vbe(sat)]/Rb.可以通过增大晶体管的增益来减小这些损耗,高增益的单个晶体管就可以达到mA级电流控制A级的电流的效果。

       5.导通电阻受温度影响:

       对于功率开关来说,导通电阻随温度变化的关系非常重要。随着温度的升高,各组成部分的纯电阻上升。

       1)在操作温度范围内,随着温度上升,MOSFET的Rds(ON)基本按照2倍左右的正斜率上升;大约是0.64%/度(见图4)在驱动条件一定的情况下,MOSFET可以通过降低开启的门限电压来补偿;

       2) 对晶体管来说,随着温度的上升,增益也迅速上升,Vce(sat)变化很小(图5),Rce(sat)上升的速率差不多是Rds(ON)的一半:大约是0.38%/度。在相同的硅面积下,晶体管的温升更小,电流密度高。

                   图4  Rds(ON) 随温度变化曲线                                                        图5 &n

bsp; 不同温度下 Vce(sat) VS Ic     

       6.硅的利用率:

       1)对MOSFET来说,在管体导通前,需要横向开拓电流通路,所以需要更多的半导体硅晶片。

       2)而最优化的BIPOLAR TRANSISTOR,采取电流垂直流动(图6),通过最小化base contact,发射区面积得到最大利用。

       从这个意义上说,相同硅晶片的晶体管比MOS管更能有效的传输电流,从而可以减小封装。

        

图6  ZETEX最新几何技术

       7.开关速度:

       1) MOSFET是多子飘移运动导电,具有绝对的优势,很容易达到几百KHz,甚至几M,乃至几十MHz;

       2) 三极管是少子的扩散运动导电,尽管最近几年技术发展很快,出现许多高频管,但是能达到100K就相当不容易了。

       8.防静电ESD:

       1) MOSFET 对静电敏感,尤其是门极电荷累积过多而不能及时放掉的话,很容易造成门极击穿;除了运输和保管的时采取正确措施外,在设计的时候,门极和地之间经常要加上几十Kohm的放电电阻。

       2)而双极性晶体管抗静电能力相对较强,可以比较顺利的通过标准的人体静电模式测试。

       9.抗干扰能力:

       1)MOSFET的输入电流几乎为零,输入电阻极大,依靠多数载流子的飘移运动形成电流;抗外界干扰能力较强。

       2)晶体管在放大或饱和状态下,必然存在基极电流,因此输入电阻比较小;导电机理是基区的非平衡的少数载流子的扩散运动,更容易受温度、射线等外界因素的影响。

       10.反向增益(hFC):

       这个特性只有双极性晶体管具有。由于高掺杂的集电区也相当于发射区,在低压变量的时候,反向增益的峰值有可能达到正向增益峰值的30%――50%;例如,ZETEX的Super-B晶体管反向增益峰值可以达到100――300。反向增益的典型用途之一是可以传导由外部的感性负载带来的反向瞬态冲击效应,也就可以省略保护二极管了。

      

       图7  ZETEX 晶体管FMMT717反向增益曲线图

       将MOSFET和BIPOLAR TRANSISTOR优点结合,就产生了IGBT(ISOLATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR),他们共同组成了最基本的半导体器件。

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