我应该如何理解 MOSFET 内部的本征体二极管?

电器工程 场效应管 二极管 半导体 体二极管
2022-01-13 09:17:25

我知道所有 MOSFET 内部都有一个本征体二极管,但我对它存在的原因感到困惑。我已经搜索了这些文章,但找不到很好的解释。任何人都可以使用“正常”的NMOS结构(当我说正常时,我是指标准结构,两个n+掺杂是源极和漏极,栅极在中心以创建N沟道,而不是U型或其他.....)并显示体二极管在哪里?非常感谢!

3个回答

本征体二极管是体和漏极之间的 pn 结。在分立(独立)MOSFET 中,源极和主体通常连接在一起以方便制作三引脚封装。这意味着源极和漏极之间有一个二极管:

体二极管

如果源极电压始终低于漏极电压,则二极管保持关闭状态,一切都按预期工作。这意味着您不能(轻松)使用 MOSFET 来切换双向信号。分立式 MOSFET 几乎总是用于低侧开关,因此这种限制在实践中并不是什么大问题。

您可以在三端 MOSFET 的标准原理图符号中看到源极和主体连接在一起。

MOSFET 原理图符号

构造mosfet的主要方法有两种:

第一种是这种更平面的方法,其中掺杂了现有的硅并生长了栅极氧化物(来自维基百科的图片):

https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET

这是一种非常容易制作的结构,并且构成了当今集成电路内部大多数数字逻辑的主干。正如您所指出的,实际上这里没有任何东西看起来像二极管:每个 MOSFET 上都没有。(由于 CMOS 是如何在单个芯片上同时使用 N 和 P 沟道 MOSFET 创建的,因此基板和晶圆上 MOSFET 的漏极之间通常有一个二极管,但我不会将其称为“体二极管”的单个 MOSFET。)

所以,没有体二极管。为什么我们看到体二极管被谈论得这么多呢?这是因为离散mosfet通常由以下结构构成(图片来自维基百科):

https://en.wikipedia.org/wiki/Power_MOSFET

这种类型的 MOSFET 结构有几个吸引人的优点:

  • 源漏沟道区具有较大的表面积,但在电子流动方向上也不是很厚。可以以最小的电阻损耗支持更高的电流。使用这种结构,您可以轻松获得小于 1 欧姆的有效漏源电阻。
  • 在硅中并行化这种类型的 MOSFET 非常容易。一个流行的品牌,称为“HexFet”,每个单元都构建为六边形,它们平铺在功率封装内的硅芯片上。

然而,也有一些缺点:

  • 比较高的栅极电容。使用这种结构,您将很难获得 GHz 开关速度。
  • 它不利于使用传统技术在集成电路中制造。如今,在集成负载开关或开关稳压器等 IC 中包含这些功能更为常见,但在过去很难做到。对于更高电流的应用,您仍然必须使用单独的 MOSFET 组件。
  • 源极和漏极之间那个讨厌的 PN 结,被称为“体二极管”。它通常也是一个非常糟糕的二极管,具有相当高的电压降(0.8V-1.5V)。这个二极管的存在只是设计的一个副作用。如果你想要大电流,你会得到一个体二极管,因为它必须是如何构建的。

在将这种类型的 MOSFET 用于具有感性负载的电源应用时,体二极管确实会派上用场(因为反向尖峰只会在 MOSFET 上反向流动),但如果您明确将它用于该应用,人们通常只会贴上肖特基跨过 mosfet 以及因为跨过 mosfet 的不太好的体二极管的反向脉冲会导致不必要的加热(高电压降 = 更多的耗散功率)。

体二极管作为一个整体位于基板(体/芯片背面)和漏极/源极/沟道之间。为了使 FET 正常工作,它必须是非导通的。这通常通过将其与源触点连接来实现。

不连接批量不是一种选择,因为通道的特性会变得不可靠。一些 FET 的主体位于单独的引脚上,因此您可以在它和源之间连接一个电压源以控制通道的特性。