對(duì)于Cool-MOS的簡(jiǎn)述

對(duì)于常規(guī)VDMOS 器件結(jié)構(gòu)， Rdson 與BV 這一對(duì)矛盾關(guān)系，要想提高BV，都是從減小EPI 參雜濃度著手，但是外延層又是正向電流流通的通道，EPI 參雜濃度減小了，電阻必然變大，Rdson 就大了。Rdson直接決定著MOS 單體的損耗大小。所以對(duì)于普通VDMOS，兩者矛盾不可調(diào)和，這就是常規(guī)VDMOS的局限性。但是對(duì)于COOLMOS，這個(gè)矛盾就不那么明顯了。通過設(shè)置一個(gè)深入EPI 的的P 區(qū)，大大提高了BV，同時(shí)對(duì)Rdson 上不產(chǎn)生影響。對(duì)于常規(guī)VDMOS，反向耐壓，主要靠的是N 型EPI 與body區(qū)界面的PN 結(jié)，對(duì)于一個(gè)PN 結(jié)，耐壓時(shí)主要靠的是耗盡區(qū)承受，耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)大小、耗盡區(qū)擴(kuò)展的寬度的面積。常規(guī)VDSMO，P body 濃度要大于N EPI，大家也應(yīng)該清楚，PN 結(jié)耗盡區(qū)主要向低參雜一側(cè)擴(kuò)散，所以此結(jié)構(gòu)下，P body 區(qū)域一側(cè)，耗盡區(qū)擴(kuò)展很小，基本對(duì)承壓沒有多大貢獻(xiàn)，承壓主要是P body－－N EPI 在N 型的一側(cè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度是逐漸變化的，越是靠近PN 結(jié)面，電場(chǎng)強(qiáng)度E 越大。對(duì)于COOLMOS 結(jié)構(gòu)，由于設(shè)置了相對(duì)P body 濃度低一些的P region 區(qū)域，所以P 區(qū)一側(cè)的耗盡區(qū)會(huì)大大擴(kuò)展，并且這個(gè)區(qū)域深入EPI 中，造成了PN 結(jié)兩側(cè)都能承受大的電壓，換句話說，就是把峰值電場(chǎng)Ec 由靠近器件表面，向器件內(nèi)部深入的區(qū)域移動(dòng)了。

Cool-MOS的優(yōu)勢(shì)

1.通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小

由于SJ-MOS 的Rdson 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VDMOS，在系統(tǒng)電源類產(chǎn)品中SJ-MOS 的導(dǎo)通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)品上面的單體MOSFET 的導(dǎo)通損耗，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的效率，SJ-MOS的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的尤為突出。

2.同等功率規(guī)格下封裝小，有利于功率密度的提高

首先，同等電流以及電壓規(guī)格條件下，J-MOS 的晶源面積要小于VDMOS 工藝的晶源面積，這樣作為MOS 的廠家，對(duì)于同一規(guī)格的產(chǎn)品，可以封裝出來體積相對(duì)較小的產(chǎn)品，有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高。

其次，由于SJ-MOS 的導(dǎo)通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗，因?yàn)檫@些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，我們?cè)趯?shí)際中往往會(huì)增加散熱器來降低MOS 單體的溫升，使其保證在合適的溫度范圍內(nèi)。由于SJ-MOS 可以有效的減少發(fā)熱量，減小了散熱器的體積，對(duì)于一些功率稍低的電源，甚至使用SJ-MOS 后可以將散熱器徹底拿掉。有效的提高了系統(tǒng)電源類產(chǎn)品的功率密度。

3.柵電荷小，對(duì)電路的驅(qū)動(dòng)能力要求降低

傳統(tǒng)VDMOS 的柵電荷相對(duì)較大，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到由于IC 的驅(qū)動(dòng)能力不足造成的溫升問題，部分產(chǎn)品在電路設(shè)計(jì)中為了增加IC 的驅(qū)動(dòng)能力，確保MOSFET 的快速導(dǎo)通，我們不得不增加推挽或其它類型的驅(qū)動(dòng)電路，從而增加了電路的復(fù)雜性。SJ-MOS 的柵電容相對(duì)比較小，這樣就可以降低其對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。

4.節(jié)電容小，開關(guān)速度加快，開關(guān)損耗小

由于SJ-MOS 結(jié)構(gòu)的改變，其輸出的節(jié)電容也有較大的降低，從而降低了其導(dǎo)通及關(guān)斷過程中的損耗。同時(shí)由于SJ-MOS 柵電容也有了響應(yīng)的減小，電容充電時(shí)間變短，大大的提高了SJ-MOS 的開關(guān)速度。對(duì)于頻率固定的電源來說，可以有效的降低其開通及關(guān)斷損耗。提高整個(gè)電源系統(tǒng)的效率。這一點(diǎn)尤其在頻率相對(duì)較高的電源上，效果更加明顯。

MOS管和晶體三極管相比的重要特性；

1）．場(chǎng)效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對(duì)應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似，圖1-6-A所示是N溝道MOS管和NPN型晶體三極管引腳，圖1-6-B所示是P溝道MOS管和PNP型晶體三極管引腳對(duì)應(yīng)圖。

2)．場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數(shù)是（跨導(dǎo)gm）當(dāng)柵極電壓改變一伏時(shí)能引起漏極電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(shù)（貝塔β）當(dāng)基極電流改變一毫安時(shí)能引起集電極電流變化多少。

3)．場(chǎng)效應(yīng)管柵極和其它電極是絕緣的，不產(chǎn)生電流；而三極管工作時(shí)基極電流IB決定集電極電流IC。因此場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。

4)．場(chǎng)效應(yīng)管只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電；三極管有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少數(shù)載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場(chǎng)效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。

5)．場(chǎng)效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時(shí)，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時(shí)，其特性差異很大，b 值將減小很多。

6)．場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路中要選用場(chǎng)效應(yīng)管。

7)．場(chǎng)效應(yīng)管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但是場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝簡(jiǎn)單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應(yīng)用中正逐步的取代普通晶體三極管，目前的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中，已經(jīng)廣泛的采用場(chǎng)效應(yīng)管。

6、在開關(guān)電源電路中；大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點(diǎn)；

1)、輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小

由于柵源之間是二氧化硅（SiO2）絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達(dá)100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高，對(duì)激勵(lì)信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)功率極小（靈敏度高）。一般的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才能驅(qū)動(dòng)集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動(dòng)是需要功率的（Vb×Ib）。

2）、開關(guān)速度快

MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運(yùn)用時(shí)，可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度（輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動(dòng)，加快了容性的充放電的時(shí)間）。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在10—100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的提高（目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以輕易的做到100K/S～150K/S,這對(duì)于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的）。

3）、無二次擊穿

由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會(huì)導(dǎo)致集電極電流上升（正的溫度～電流特性）的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會(huì)導(dǎo)致溫度進(jìn)一步的上升，溫度進(jìn)一步的上升，更進(jìn)一步的導(dǎo)致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步下降，這就形成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)下降最終導(dǎo)致晶體三極管的擊穿，這是一種導(dǎo)致電視機(jī)開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當(dāng)管溫度（或環(huán)境溫度）上升時(shí)，溝道電流IDS反而下降。例如；一只IDS=10A的MOS FET開關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時(shí)，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)芯片溫度升高為1000C時(shí)，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導(dǎo)致溝道電流IDS下降的負(fù)溫度電流特性，使之不會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機(jī)開關(guān)電源采用MOS管代替過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個(gè)極好的證明。

4）、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性

普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是，幾乎是直通，有一個(gè)極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個(gè)壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)等效的電阻是一個(gè)非線性的電阻（電阻上的電壓和流過的電流不能符合歐姆定律），而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)電阻等效一個(gè)線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流符合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個(gè)線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個(gè)電阻并聯(lián)在一起，就有一個(gè)自動(dòng)電流平衡的作用，所以MOS管在一個(gè)管子功率不夠的時(shí)候，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不必另外增加平衡措施（非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的）。

MOS管和普通的晶體三極管相比，有以上四項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，就足以使MOS管在開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)下完全取代普通的晶體三極管。目前的技術(shù)MOS管道VDS能做到1000V，只能作為開關(guān)電源的開關(guān)管應(yīng)用，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，VDS的不斷提高，取代顯像管電視機(jī)的行輸出管也是近期能實(shí)現(xiàn)的。

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