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Part 01、前言
與三極管等其他的有源器件相比，MOSFET的不同尋常之處在于其原理圖符號(hào)會(huì)包含一個(gè)寄生器件——體二極管。那么是不是所有的MOSFET都會(huì)有體二極管嗎？這個(gè)體二極管它有什么作用呢？
Part 02、所有的MOSFET都會(huì)有體二極管嗎？
自從1960年MOSFET在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生之后，MOSFET以來(lái)經(jīng)歷了多次工藝革新，從基本結(jié)構(gòu)到材料、工藝技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。下面的表格總結(jié)了MOSFET從誕生以后的關(guān)鍵工藝革新：
| 時(shí)間 | 事件與技術(shù) | 關(guān)鍵特點(diǎn)與意義 |
|---|
| 1960年 | MOSFET誕生 | 硅基MOS結(jié)構(gòu)，SiO?作為柵介質(zhì)，開(kāi)啟FET時(shí)代 |
| 1963年 | CMOS技術(shù)發(fā)明 | 低功耗電路的基礎(chǔ)，推動(dòng)數(shù)字集成電路發(fā)展 |
| 1970年代 | 功率MOSFET誕生 | 用于開(kāi)關(guān)電源、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，高輸入阻抗，快速開(kāi)關(guān) |
| 1977年 | VDMOS問(wèn)世 | 垂直結(jié)構(gòu)，降低導(dǎo)通電阻，承載更大電流 |
| 1990年代初 | 溝槽型MOSFET誕生 | 溝槽柵極技術(shù)，顯著降低導(dǎo)通電阻，提高開(kāi)關(guān)速度 |
| 1998年 | 超結(jié)MOSFET問(wèn)世 | 交替P/N結(jié)構(gòu)，突破導(dǎo)通電阻-擊穿電壓權(quán)衡 |
| 2011年 | FinFET量產(chǎn) | 3D柵極結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)溝道控制，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)工藝 |
| 2010年代 | SiC/GaN MOSFET發(fā)展 | 新材料應(yīng)用，高頻開(kāi)關(guān)，適用于高溫、高壓環(huán)境 |
那么MOSFET經(jīng)歷了這么多代的工藝技術(shù)革新，有沒(méi)有哪一代工藝消除掉了MOSFET的體二極管呢？我查閱了一下資料發(fā)現(xiàn)MOSFET的體二極管是其基本結(jié)構(gòu)中固有的，可能某些工藝或器件設(shè)計(jì)通過(guò)優(yōu)化或替代手段弱化或消除體二極管的影響。大多數(shù)MOSFET工藝并未完全消除體二極管，而是優(yōu)化其特性或通過(guò)外部手段替代體二極管功能。嚴(yán)格意義上，只有GaN HEMT完全沒(méi)有傳統(tǒng)的體二極管結(jié)構(gòu)，而同步整流MOSFET通過(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)了功能上的體二極管替代。其他技術(shù)（如溝槽型、超結(jié)、SiC MOSFET）雖未完全消除體二極管，但優(yōu)化了其性能。
| 工藝/技術(shù) | 體二極管狀態(tài) | 備注 |
|---|
| 溝槽型MOSFET（Trench） | 存在但優(yōu)化 | 降低反向恢復(fù)時(shí)間，提高性能 |
| 超結(jié)MOSFET（Super-Junction） | 存在但優(yōu)化 | 導(dǎo)通損耗減少，性能顯著提升 |
| 同步整流MOSFET | 功能上被替代 | 外部控制同步導(dǎo)通，弱化體二極管作用 |
| GaN HEMT | 無(wú)體二極管 | 完全不同的導(dǎo)通機(jī)制 |
| SiC MOSFET | 存在但優(yōu)化 | 更高耐壓、更快恢復(fù) |
總的來(lái)說(shuō)，GaN HEMT是目前真正不包含傳統(tǒng)體二極管的技術(shù)，而其他MOSFET工藝通常保留體二極管，只不過(guò)體二極管的性能經(jīng)過(guò)優(yōu)化，比如反向恢復(fù)時(shí)間更短，導(dǎo)通損耗減少，耐壓更高而已。
我們可能會(huì)在某些文章中看到一句話，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。這句話對(duì)嗎？個(gè)人覺(jué)得不完全正確，在單個(gè)分立MOSFET器件中，體二極管通常是固有存在的，這是由于大部分的MOSFET內(nèi)部的PN結(jié)結(jié)構(gòu)決定的。它形成在源極與漏極之間，由于器件物理結(jié)構(gòu)所致，無(wú)法避免。
但是在集成電路芯片中，體二極管的存在與否取決于具體的工藝設(shè)計(jì)，以CMOS集成電路為例，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，每個(gè)MOSFET仍然有其體區(qū)（P型或N型），通常連到芯片的電源或接地，從而可能形成體二極管。
然而，為了避免體二極管影響電路性能，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)：將襯底與源極連接，使體二極管在正常工作條件下不會(huì)導(dǎo)通。使用特殊的布局或隔離技術(shù)（如阱隔離或絕緣體上硅（SOI）技術(shù)）來(lái)避免或最小化體二極管的影響。
所以體二極管雖然存在，但在正常工作條件下不會(huì)導(dǎo)通了。當(dāng)然在某些集成電路中通過(guò)絕緣體上硅（SOI）技術(shù)確實(shí)可以消除體二極管，這也只是僅限于集成芯片中。
目前我們電路設(shè)計(jì)應(yīng)用比較多的采用溝槽型工藝的功率MOSFET還是存在體二極管的。
Part 03、MOSFET的體二極管有什么用？
1. 防反接比如兩個(gè)MOSFET背靠背的防反接拓?fù)洌?img decoding="async" class="aligncenter" src="https://wximg.eefocus.com/forward?url=https%3A%2F%2Fmmbiz.qpic.cn%2Fmmbiz_png%2FS1IiaGzQEaKghVic2LtZCsYsc4FOeZkfWCrb8DvnwEHHsoow2zdIaNrfjcVdy1LricDtAyBiadYUOkHfUic094Cujdg%2F640%3Fwx_fmt%3Dpng%26amp%3Bfrom%3Dappmsg&s=d572d5" />
2. 反向電流路徑
體二極管提供了一個(gè)天然的反向電流路徑，在某些雙向開(kāi)關(guān)電路中非常有用。
例如，在H橋逆變器或同步整流器中，體二極管允許電流在MOSFET關(guān)閉時(shí)通過(guò)反向?qū)?，從而?shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)。
需要注意的是體二極管具有較高的正向壓降一般在0.7V到1.5V之間，反向?qū)〞?huì)產(chǎn)生較大的功耗問(wèn)題。常規(guī)MOSFET的體二極管的反向恢復(fù)速度較慢，在高頻開(kāi)關(guān)電路中容易引發(fā)開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)致電源效率下降和電磁干擾（EMI）增加。
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