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功率MOSFET：修订间差异

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功率MOSFET（包括DMOS、[[横向扩散金属氧化物半导体|LDMOS]]及VMOS）也可以用在其他的應用領域中。
功率MOSFET（包括DMOS、[[横向扩散金属氧化物半导体|LDMOS]]及VMOS）也可以用在其他的應用領域中。
== 基本結構 ==
[[File:Vdmos cross section en.svg|thumb|right|圖1：VDMOS的截面，是一個基本單元。單元其實非常的小（數微米到數十微米的寬度），功率MOSFET中有上千個類似的單元]]
在第一個商用功率半導體問世的1970年代，已研發了許多的結構，不過大部份（至少到目前為止）已不再開發，主要的結構為垂直擴散MOS（VDMOS）結構（也稱為是雙擴散MOS，或DMOS）,以及[[横向扩散金属氧化物半导体]]（LDMOS）結構。

VDMOS的截面（如圖1）可以看出元件的「垂直特性」：可以看出源極電極放在汲極的上方，在電晶體導通時，電流主要是垂直路徑。VDMOS的「[[扩散作用]]」是指其製程。P極的牆（如圖1）是透過扩散過程形成（其實是雙重擴散過程，產生P和N<sup>+</sup>區，因此稱為雙擴散）。

功率MOSFET和側向MOSFET的結構不同：就像大部份功率元件一樣，其結構是垂直的，不是水平的。在平面結構中，電流和[[击穿电压]]額定都是通道大小的函數（也就是通道的長和寛），因此在矽晶面積上沒有有效率的使用。在垂直架構中，電晶體的電壓額是N磊晶[[掺杂 (半导体)|掺杂]]及厚度的函數（可以參考圖1），而電流額定是通道寬度的函數。因此可以讓電晶體在小的矽晶元中，可以維持高阻隔電壓以及大電流額定。

LDMOS是側向結構的功率MOSFET，主要是用在高端音響[[放大器]]<ref name="Duncan177" />以及無線[[蜂窝网络]]（例如[[2G]]、[[3G]]<ref name="Baliga2005" />及[[4G]]<ref name="Asif" />）用的無線電功率放大器 。好處是在飽和區（對應電晶體的線性區）特性比VDMOS好。VDMOS主要用在切換的應用中，只會有開和關二個狀態，不需考慮飽和區的特性。
== 相關條目 ==
== 相關條目 ==
* [[IGBT]]
* [[IGBT]]

2020年10月12日 (一) 14:43的版本

二個SMT，TO-263（英语：TO-263）包裝的功率MOSFET。若在有適當散熱情形下，其截止電壓是120伏特，連續運作電流為30安培
IRLZ24N 功率MOSFET，是通孔插装技术的TO-220（英语：TO-220）AB包裝。從左到右的針腳為：閘極（邏輯電位）、汲極、源極。最上方的金屬片和也是drain極，和第2腳短路[1]

功率MOSFET是專門處理大功率的電壓和電流的金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），也是功率半導體（英语：power semiconductor device）的一種。和其他功率半導體（例如絕緣柵雙極晶體管或晶閘管）比較，功率MOSFET的優點是其切換速度快，在低電壓下的高效率。功率MOSFET和IGBT都有隔離的閘體，因此在驅動上比較容易。功率MOSFE的缺點是增益較小，有時閘極驅動的電壓甚至比實際要控制的電壓還低。

MOSFET及互補式金屬氧化物半導體（CMOS）技術持續的演進，自1960年起已用在集成电路上，這也是功率MOSFET的設計得以實現的原因。功率MOSFET和一般信號級的MOSFET原理相同。功率MOSFET常用在电力电子学，是源自信號級的MOSFET，自1970年代開始有商品販售[2]。

功率MOSFET是最常見的功率半導體（英语：power semiconductor device），原因是因為其閘極驅動需要的功率小、以及快速的切換速度[3]、容易實施的並聯技術[3][4]、高頻寬、堅固性、偏壓簡單、容易使用、也容易維修[4]。在低壓（200V以下）的應用中，功率MOSFET是最常見的功率半導體。功率MOSFET可以用在許多不同的領域中，包括大部份的電源供應、直流-直流轉換器、低電壓电机控制器等。

歷史

参见：MOSFET、横向扩散金属氧化物半导体和IGBT

金屬氧化物半導體場效電晶體是贝尔实验室的Mohamed Atalla（英语：Mohamed M. Atalla）和Dawon Kahng（英语：Dawon Kahng）在1959年發明的，是电力电子学的一大突破。MOSFET一代一代的推進，讓電力電子元件的設計者可以達到雙極性電晶體無法達到的性能以及功率密度[5]。

日立製作所在1969年發明了第一個垂直式的功率MOSFET[6]，之後稱為VMOS（V 型槽MOSFET）[7]。日本産業技術綜合研究所（英语：National Institute of Advanced Industrial Science and Technology）的Y. Tarui, Y. Hayashi和Toshihiro Sekigawa首次提出有自對準閘極（英语：self-aligned gate）的雙擴散MOSFET（DMOS）[8][9]。1974年時，日本东北大学的西澤潤一發明了用在音頻上的功率MOSFET，很就由山葉公司生產，用在高保真音頻功率擴大器（英语：Audio power amplifier）。JVC、Pioneer、索尼及东芝也開始在1974年開始生產有功率MOSFET的放大器[10]。Siliconix在1975年開始販售VMOS[7]。

VMOS和DMOS發展成當時所謂的VDMOS（垂直型DMOS）[10]。惠普實驗室John Moll（英语：John L. Moll）的研突團隊在1977年製作了DMOS的原型，展示DMOS比VMOS優越的特性，包括低導通阻抗以及高崩潰電壓[7]。日立在同一年開發了横向扩散金属氧化物半导体（橫向DMOS），屬於平面型的DMOS。日立是1977年至1983年之間，唯一的LDMOS製造商，當時的LDMOS是由HH Electronics（英语：HH Electronics）和Ashly Audio（英语：Ashly Audio）用在音頻功率擴大器中，也用在音樂以及公共廣播系統（英语：public address system）中[10]。當2G數位蜂窝网络在1995年開始使用時，LDMOS廣為使用在2G、3G等無線網路的無線電功率擴大器（英语：RF power amplifier）中[11]，後來也用在4G網路中[12]。

Alex Lidow（英语：Alex Lidow）於1977年在史丹佛大學和Tom Herman共同發明了HexFET，六邊形的功率MOSFET[13][14]。國際整流器公司（英语：International Rectifier）在1978年開始販售HexFET[7][14]。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）結合了功率MOSFET以及雙極性電晶體（BJT）的特點，是由通用电气的B·賈揚特·巴利加在1977年至1979年所發明的[15]。

超接合面（Super Junction）MOSFET是用P+ columns穿透N-外延層的MOSFET。將P層和N層疊層的概令念最早是由大阪大学的Shozo Shirota和Shigeo Kaneda在1978年提出[16]。飛利浦的David J. Coe發明了超接合面的MOSFET，作法是將p型及n型的層對調，並且因此在1984年申請了美國專利，在1988年通過[17]。

應用

参见：MOSFET和IGBT

功率MOSFET是最常用到的功率半導體[3]。截至2010年 (2010-Missing required parameter 1=month!)，功率MOSFET佔功率半導體市場的53%，比絕緣柵雙極晶體管（27%）射頻功率放大器（英语：RF power amplifier）（11%）及雙極性電晶體（9%）要多[18]。截至2018年 (2018-Missing required parameter 1=month!)，每年銷售的功率MOSFET超過五百億個[19]，其中包括溝槽式（Trench）功率MOSFET，到2017年二月為止已銷售一百億個[20]，以及意法半導體的MDmesh（超接合面MOSFET），截至2019年 (2019-Missing required parameter 1=month!)已販售五十億個[16]。

功率MOSFET廣為使用在消費電子產品中[21][22]。

RF DMOS，也稱為RF功率MOSFET，是設計在射頻（RF）應用的DMOS功率電晶體，用在許多電台廣播及無線電應用中[23][24]

功率MOSFET也常用在运输技術中[25][26][27]，包括許多不同種類的载具。

在汽車產業中[28][29][30]，功率MOSFET是常見的汽車電子元件[31][32][21]。

功率MOSFET（包括DMOS、LDMOS及VMOS）也可以用在其他的應用領域中。

基本結構

圖1：VDMOS的截面，是一個基本單元。單元其實非常的小（數微米到數十微米的寬度），功率MOSFET中有上千個類似的單元

在第一個商用功率半導體問世的1970年代，已研發了許多的結構，不過大部份（至少到目前為止）已不再開發，主要的結構為垂直擴散MOS（VDMOS）結構（也稱為是雙擴散MOS，或DMOS）,以及横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）結構。

VDMOS的截面（如圖1）可以看出元件的「垂直特性」：可以看出源極電極放在汲極的上方，在電晶體導通時，電流主要是垂直路徑。VDMOS的「扩散作用」是指其製程。P極的牆（如圖1）是透過扩散過程形成（其實是雙重擴散過程，產生P和N+區，因此稱為雙擴散）。

功率MOSFET和側向MOSFET的結構不同：就像大部份功率元件一樣，其結構是垂直的，不是水平的。在平面結構中，電流和击穿电压額定都是通道大小的函數（也就是通道的長和寛），因此在矽晶面積上沒有有效率的使用。在垂直架構中，電晶體的電壓額是N磊晶掺杂及厚度的函數（可以參考圖1），而電流額定是通道寬度的函數。因此可以讓電晶體在小的矽晶元中，可以維持高阻隔電壓以及大電流額定。

LDMOS是側向結構的功率MOSFET，主要是用在高端音響放大器[10]以及無線蜂窝网络（例如2G、3G[11]及4G[12]）用的無線電功率放大器 。好處是在飽和區（對應電晶體的線性區）特性比VDMOS好。VDMOS主要用在切換的應用中，只會有開和關二個狀態，不需考慮飽和區的特性。

相關條目

相關條目

  1. ^ IRLZ24N, 55V N-Channel Power MOSFET, TO-220AB package; Infineon.. [2020-09-22]. （原始内容存档于2018-06-25）. 
  2. ^ Irwin, J. David. The Industrial Electronics Handbook. CRC Press. 1997: 218 [2020-09-22]. ISBN 9780849383434. （原始内容存档于2020-08-03）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Power MOSFET Basics (PDF). Alpha & Omega Semiconductor. [29 July 2019]. （原始内容存档 (PDF)于2020-01-10）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Duncan, Ben. High Performance Audio Power Amplifiers. Elsevier. 1996: 178–81. ISBN 9780080508047. 
  5. ^ Rethink Power Density with GaN. Electronic Design. 21 April 2017 [23 July 2019]. （原始内容存档于2020-08-01）. 
  6. ^ Oxner, E. S. Fet Technology and Application. CRC Press. 1988: 18 [2020-09-23]. ISBN 9780824780500. （原始内容存档于2019-12-30）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Advances in Discrete Semiconductors March On. Power Electronics Technology (Informa). September 2005: 52–6 [31 July 2019]. （原始内容存档 (PDF)于22 March 2006）. 
  8. ^ Tarui, Y.; Hayashi, Y.; Sekigawa, Toshihiro. Diffusion Self-Aligned MOST; A New Approach for High Speed Device. Proceedings of the 1st Conference on Solid State Devices. September 1969 [2020-09-23]. doi:10.7567/SSDM.1969.4-1. （原始内容存档于2020-09-13）. 
  9. ^ McLintock, G. A.; Thomas, R. E. Modelling of the double-diffused MOST's with self-aligned gates. 1972 International Electron Devices Meeting. December 1972: 24–26. doi:10.1109/IEDM.1972.249241. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 Duncan, Ben. High Performance Audio Power Amplifiers. Elsevier. 1996: 177–8, 406. ISBN 9780080508047. 
  11. ^ 11.0 11.1 Baliga, B. Jayant. Silicon RF Power MOSFETS. World Scientific. 2005 [2020-09-23]. ISBN 9789812561213. （原始内容存档于2019-12-18）. 
  12. ^ 12.0 12.1 Asif, Saad. 5G Mobile Communications: Concepts and Technologies. CRC Press. 2018: 134 [2020-09-23]. ISBN 9780429881343. （原始内容存档于2020-08-06）. 
  13. ^ SEMI Award for North America. SEMI. [5 August 2016]. （原始内容存档于5 August 2016）. 
  14. ^ 14.0 14.1 International Rectifier's Alex Lidow and Tom Herman Inducted Into Engineering Hall of Fame. Business Wire. 14 September 2004 [31 July 2019]. （原始内容存档于2019-07-31）. 
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延伸閱讀

  • "Power Semiconductor Devices", B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6
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