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忽苏
5 years ago
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功率 MOSFET 简介由于世界市场的激烈竞争, 各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新的设计改进新的工艺开发新的产品好些产品甚至每个季度都有新的发展, 品种的更新换代几乎到了使人眼花缭乱的程度参考多家位专家的相关文章, 本简介从功率 MOSFET 的结构原理, 工作原理, 应用基础等多方面着手, 全面而简要地介绍了以功率 MOSFET 为代表的新一代功率半导体器件功率

1 功率 MOSFET 简介由于世界市场的激烈竞争, 各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新的设计改进新的工艺开发新的产品好些产品甚至每个季度都有新的发展, 品种的更新换代几乎到了使人眼花缭乱的程度参考多家位专家的相关文章, 本简介从功率 MOSFET 的结构原理, 工作原理, 应用基础等多方面着手, 全面而简要地介绍了以功率 MOSFET 为代表的新一代功率半导体器件功率 MOSFET 的结构图一所示为 IR 功率 MOSFET 的基本结构图中每一个六角形是一个 MOSFET 的原胞 (cell) 正因为原胞是六角形的(hexangular), 因而 IR 常把它称为 HEXFET 功率 MOSFET 通常由许多个 MOSFET 原胞组成风行了十余年的 IR 第三代 (Gen-3)HEXFET 每平方厘米约有 18 万个原胞, 目前世界上密度最高的 IR 第八代 (Gen-8)HEXFET 每平方厘米已有 1740 万第 1 页 - 共 10 页

2 个原胞这就完全可以理解, 现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代图一中已标明了漏 (Drain) 和源 (Source) 漏源之间的电流通过一个沟道(Channel) 上的栅 (Gate) 来控制按 MOSFET 的原意,MOS 代表金属 (Metal) 氧化物 (Oxide) 半导体 (Semiconductor), 即以金属层 (M) 的栅极隔氧化层 (O) 利用电场的效应来控制半导体 (S) FET(Field Effect Transistor 场效应晶体管 ) 的名字也由此而来然而我们从图一中可以看到,HEXFET 中的栅极并不是金属做的, 而是用多晶硅 (Poly) 来做栅极, 这也就是图中所注明的硅栅极 (Silicon Gate) IR 在 1978 年时是用金属做栅极的,1979 年的 Gen-1 HEXFET 是世界上第一个采用多晶硅栅极的多原胞型功率 MOSFET 作为功率 MOSFET 来说, 有两项参数是最重要的一个是 Rds(on), 即通态时的漏源电阻另一个是 Qg, 即栅极电荷, 实际即栅极电容栅极电容细分起来可分成好几个部份, 与器件的外特性输入与输出电容也有较复杂的关系除此之外有些瞬态参数也需要很好考虑, 这些我们在后的章节会讨论到功率 MOSFET 的内部结构和电气符号如图 1 所示 ; 其导通时只有一种极性的载流子 ( 多子 ) 参与导电, 是单极型晶体管导电机理与小功率 MOS 管相同, 但结构上有较大区别, 小功率 MOS 管是横向导电器件, 功率 MOSFET 大都采用垂直导电结构, 又称为 VMOSFET(Vertical MOSFET), 大大提高了 MOSFET 器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异, 又分为利用 V 型槽实现垂直导电的 VVMOSFET 和具有垂直导电双扩散 MOS 结构的 VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET), 本文主要以 VDMOS 器件为例进行讨论, 我公司目前所有产品也基于此技术功率 MOSFET 为多元集成结构, 如国际整流器公司 (International Rectifier) 的 HEXFET 采用了六边形单元 ; 西门子公司 (Siemens) 的 SIPMOSFET 采用了正方形单元 ; 摩托罗拉公司 (Motorola) 的 TMOS 采用了矩形单元按品字形排列, 我公司 (Samwin) 采用的是长方形平均排列第 2 页 - 共 10 页

3 功率 MOSFET 的工作原理截止 : 漏源极间加正电源, 栅源极间电压为零 P 基区与 N 漂移区之间形成的 PN 结 J 1 反偏, 漏源极之间无电流流过导电 : 在栅源极间加正电压 U GS, 栅极是绝缘的, 所以不会有栅极电流流过但栅极的正电压会将其下面 P 区中的空穴推开, 而将 P 区中的少子电子吸引到栅极下面的 P 区表面, 当 U GS 大于 U T ( 开启电压或阈值电压 ) 时, 栅极下 P 区表面的电子浓度将超过空穴浓度, 使 P 型半导体反型成 N 型而成为反型层, 该反型层形成 N 沟道而使 PN 结 J 1 消失, 漏极和源极导电功率 MOSFET 的基本特性静态特性 MOSFET 的转移特性和输出特性如图 2 所示漏极电流 I D 和栅源间电压 U GS 的关系称为 MOSFET 的转移特性,I D 较大时,I D 与 U GS 的关系近似线性, 曲线的斜率定义为跨导 G fs MOSFET 的漏极伏安特性 ( 输出特性 ): 截止区 ( 对应于 GTR 的截止区 ); 饱和区 ( 对应于 GTR 的放大区 ); 非饱和区 ( 对应于 GTR 的饱和区 ) 电力 MOSFET 工作在开关状态, 即在截止区和非饱和区之间来回转换功率 MOSFET 漏源极之间有寄生二极管, 漏源极间加反向电压时器件导通功率 MOSFET 的通态电阻具有正温度系数, 对器件并联时的均流有利动态特性 MOSFET 其测试电路和开关过程波形如图 3 所示第 3 页 - 共 10 页

4 开通过程 : 开通延迟时间 t d(on) U p 前沿时刻到 U GS =U T 并开始出现 i D 的时刻间的时间段 ; 上升时间 t r U GS 从 U T 上升到 MOSFET 进入非饱和区的栅压 U GSP 的时间段 ; i D 稳态值由漏极电源电压 U E 和漏极负载电阻决定 U GSP 的大小和 i D 的稳态值有关,U GS 达到 U GSP 后, 在 u p 作用下继续升高直至达到稳态, 但 i D 已不变开通时间 t on 开通延迟时间与上升时间之和关断延迟时间 t d(off) U p 下降到零起,C in 通过 R S 和 R G 放电,U GS 按指数曲线下降到 U GSP 时,i D 开始减小为零的时间段下降时间 t f U GS 从 U GSP 继续下降起,i D 减小, 到 U GS <U T 时沟道消失,i D 下降到零为止的时间段关断时间 t off 关断延迟时间和下降时间之和 MOSFET 的开关速度 MOSFET 的开关速度和 C in 充放电有很大关系, 使用者无法降低 C in, 但可降低驱动电路内阻 R s 减小时间常数, 加快开关速度,MOSFET 只靠多子导电, 不存在少子储存效应, 因而关断过程非常迅速, 开关时间在 10~100ns 之间, 工作频率可达 100kHz 以上, 是主要功率电子器件中最高的场控器件静态时几乎不需输入电流但在开关过程中需对输入电容充放电, 仍需一定的驱动功率开关频率越高, 所需要的驱动功率越大以下章节我们将会讨论到 Q g 与开关时间的关系第 4 页 - 共 10 页

.Rds(on) 为降低 Rds(on), 先要分析一下 Rds(on) 是由哪些部分组成图二列出了芯片中的各部分的电阻这些电阻主要包括 : R CH : 沟道电阻, 即栅极下沟道的电阻 R J :JFET 电阻, 即把各原胞的 P- 基区 (P-Base) 所夹住的那部分看为 JFET JFET 是结型场效应晶体管 (Junction FET) 的简称结型场效应管是以

5 .Rds(on) 为降低 Rds(on), 先要分析一下 Rds(on) 是由哪些部分组成图二列出了芯片中的各部分的电阻这些电阻主要包括 : R CH : 沟道电阻, 即栅极下沟道的电阻 R J :JFET 电阻, 即把各原胞的 P- 基区 (P-Base) 所夹住的那部分看为 JFET JFET 是结型场效应晶体管 (Junction FET) 的简称结型场效应管是以 PN 结上的电场来控制所夹沟道中的电流虽同称为场效应晶体管, 但它和 MOSFET 是以表面电场来控制沟道中的电流情况不同, 所以 MOSFET 有时也被称为表面场效应管 R D : 漂移层电阻, 主要是外延层中的电阻一般做功率 MOSFET 都采用外延片所谓外延片即在原始的低阻衬底 (substrate) 硅片上向外延伸一层高阻层高阻层用来耐受电第 5 页 - 共 10 页

6 压, 低阻衬底作为支撑又不增加很多电阻对 MOSFET 来说, 载流子 ( 电子或空穴 ) 在这些区域是在外界电压下作漂移 (Drift) 运动, 故而相关的电阻称为 RD 若要求 MOSFET 的耐压高, 就必须提高高阻层 ( 对 N 沟道 MOSFET 来说, 称 N- 层 ) 的电阻率, 但当外延层的电阻率提高时,RD 也随之提高这也是很少出现一千伏以上的高压 MOSFET 的原因 (1) 降低沟道电阻首先我们来看如何降低沟道电阻前面已经提到, 当前功率 MOSFET 发展的一个重要趋势就是把单个原胞的面积愈做愈小, 原胞的密度愈做愈高, 其原因就是为了降低沟道电阻为什么提高原胞的密度可降低沟道电阻呢? 从图一可以看出 :HEXFET 的电流在栅极下横向流过沟道其电阻的大小和通过沟道时的截面有关而这个截面随器件内原胞周界的增长而增大当原胞密度增大时, 在一定的面积内, 围绕著所有原胞的总周界长度也迅速扩大, 从而使沟道电阻得以下降 IR 公司 1995 年发展的第五代 HEXFET, 其原胞密度已比第三代大 5 倍因此通过同样电流时的硅片面积有希望缩小到原来的 2/5 第五代的另一个特点是, 其工艺大为简化, 即从第三代的 6 块光刻板减为 4 块, 这样器件的制造成本就可能降低当今世界上最流行的仍是 IR 的第三代和第五代, 而第三代常用于较高电压的器件 ( 如伏 ), 而第五代常用于较低电压的器件 ( 如伏 ) 高密度结构在较低电压器件中显示更优越作用的原因是因为低压器件的体电阻 RD 较小, 因而降低沟道电阻更易于显出效果过去有多年工作经验的电子电力工作者, 常对当前生产厂热中于发展低压器件不感兴趣或不可理解这主要是电力电子技术的应用面已大大拓宽, 一些低压应用已成为新技术发展中的关键最典型的是电脑中电源的需求正在研究的是 1 伏甚至 0.5 伏的电源, 同时必须迅速通过 50 或 100 安这样大的电流, 这种要求对半导体器件是十分苛刻的就像要求一个非常低压力的水源, 瞬间流出大量的水一样目前,Samwin 公司的 600V 或以上产品的工艺水平相当于 IR 公司的第 6 代工艺而利用新工艺开发的低压大电流产品, 如 SW50N06,SW75N75,SW15N10 等产品已进入试生产阶段为进一步增加原胞密度, 也可以采用挖槽工艺通常称为 trench( 沟槽 ) MOSFET 图三 (a) 将沟槽结构作了一个简单图示沟槽结构的沟道是纵向的, 所以其占有面积比横向沟道为小从而可进一步增加原胞密度有趣的是, 最早做功率稍大的垂直型纵向 MOSFET 时, 就是从挖槽工艺开始的, 当初称为 VVMOS, 但由于工艺不成熟, 因而只有当平面型的 VDMOS 出现後, 才有了新一代的功率半导体器件的突破在半导体器件的第 6 页 - 共 10 页

发展过程中, 因为半导体工艺的迅速发展, 或是一种新的应用要求, 使一些过去认为不成熟的技术又重新有了发展, 这种事例是相当普遍的当前一统天下的纵向结构功率 MOSFET, 也有可能吸纳横向结构而为低压器件注入新的发展方向 (2) 降低 JFET 电阻为降低 JFET 电阻, 很早就采用了一种工艺, 即增加所夹沟道中的掺杂浓度, 以求减小 JFET 的沟道电阻沟槽式结构也为降低 JFET

7 发展过程中, 因为半导体工艺的迅速发展, 或是一种新的应用要求, 使一些过去认为不成熟的技术又重新有了发展, 这种事例是相当普遍的当前一统天下的纵向结构功率 MOSFET, 也有可能吸纳横向结构而为低压器件注入新的发展方向 (2) 降低 JFET 电阻为降低 JFET 电阻, 很早就采用了一种工艺, 即增加所夹沟道中的掺杂浓度, 以求减小 JFET 的沟道电阻沟槽式结构也为降低 JFET 电阻带来好处从上述图三 (a) 中也可以看出, 原结构中的 JFET 在沟槽型结构中已经消失这也就使其 Rds(on) 得以进一步下降然而沟槽式的缺点是其工艺成本要比原平面型的结构较高 (3) 降低漂移电阻上面的讨论已涉及到如何降低沟道电阻 RCH 和 JFET 电阻 RJ 现在剩下的是如何来减小芯片的体电阻 RD 上面已经提到, 当要求 MOSFET 工作于较高电压时, 必需提高硅片的电阻率在双极型晶体管中 ( 晶闸管也一样 ), 有少数载流子注入基区来调节体内电阻, 所以硅片电阻率的提高对内阻的增加影响较小但 MOSFET 则不属于双极型晶体管, 它依赖多数载流子导电, 所以完全是以外延层的电阻率来决定其 Rd 因而使 MOSFET 的 Rds(on) 与器件耐压有一个大概 2.4 到 2.6 次方的关系即要求器件的耐压提高时, 其 Rds(on) 必然有一个十分迅速的上升这也是为什麽在 600 伏以上常采用 IGBT 的原因 IGBT 是绝缘栅双极型晶体管的简称,IGBT 虽然结构与 MOSFET 相似, 但却是一种双极型器件它也是采用少数载流子的注入来降低其体电阻的一个十分聪明的构思又为功率 MOSFET 提供了一条新出路如果 N- 沟道 MOSFET 中的 P 基区 ( 如图三 (b)) 向体内伸出较长形成一个 P 柱则当漏源之间加上电压时, 其电场分布就会发生根本的变化通常 PN 结加上电压时, 电位线基本上是平行于 PN 结面的但这种 P 柱在一定第 7 页 - 共 10 页

8 的设计下可使电位线几乎和元件表面平行就像 P 柱区和 N- 区已被中和为一片高阻区一样于是就可以采用较低的电阻率去取得器件较高的耐压这样,Rds(on) 就因较低的电阻率而大大下降, 和耐压的关系也不再遵循前面所提到的 2.4 到 2.6 次方的关系了这样一种思路为 MOSFET 拓宽了往高压的发展, 今后和 IGBT 在高压领域的竞争就大为有利了但是此方案还在探索阶段, 并未投入实际工艺应用中. Q g MOSFET 常常用在频率较高的场合开关损耗在频率提高时愈来愈占主要位置降低栅电荷, 可有效降低开关损耗为了降低栅电荷, 从减少电容的角度很容易理解在制造上应采取的措施从图四可以看到, 为减少电容, 增加绝缘层厚度 ( 在这儿是增加氧化层厚度 ) 当然是措施之一减低电容板一侧的所需电荷 ( 现在是降低沟道区的掺杂浓度 ) 也是一个相似的措施此外, 就需要缩小电容板的面积, 这也就是要减少栅极面积缩小原胞面积增加原胞密度从单个原胞来看, 似乎可以缩小多晶层的宽度, 但从整体来讲, 其总的栅极覆盖面积实际上是增加的从这一点来看, 增加原胞密度和减少电容有一定的矛盾采用了上述的措施,IR 产生了第 3.5 代也称为低栅电荷 MOSFET 第 3.5 代的米勒电容下降 80%, 栅电荷下降 40% 当然第 3.5 代还有许多其它措施来降低 Rds(on)( 降低了 15%), 这样所带来的好处不仅是开通速度快了, 温升降低了, 也带来了 dv/dt 能力的提高, 栅漏电压的增高, 同时也降低了驱动电路的费用为缓解原胞密度增高後栅面积增大引起栅电荷过分增大的问题, Samwin 采用一种折衷的结构, 那就是将漏极的原胞结构改为条状漏极这时候可以有同样窄的栅极 ( 条密度很高 ) 而不至于增加太多栅极面积, 所以栅电荷得以减小但是,Samwin 公司在此方面所做的努力在小功率 MOSFET 产品上却带来了新了问题, 如 SW1N60, 我们在设计过程中过多地考虑降低栅电荷, 提第 8 页 - 共 10 页

高开断效能, 而忽视了过快的开断频率对 EMI 的影响目前,Samwin 公司新推出的 SW1N60A SW1N60AS,SW1N60AB 已经解决了这个问题熟悉电力电子技术的人已经很了 : 解除了要考虑器件的电压电流频率以外, 还必须懂得在应用中如何保护器件, 不使器件在瞬态变化中受损害这在当年应用 13 系列管时是如此, 现在同样也应有相应的考虑当然 13

9 高开断效能, 而忽视了过快的开断频率对 EMI 的影响目前,Samwin 公司新推出的 SW1N60A SW1N60AS,SW1N60AB 已经解决了这个问题熟悉电力电子技术的人已经很了 : 解除了要考虑器件的电压电流频率以外, 还必须懂得在应用中如何保护器件, 不使器件在瞬态变化中受损害这在当年应用 13 系列管时是如此, 现在同样也应有相应的考虑当然 13 系列管是两个双极型晶体管的组合, 又加上因大面积带来的大电容, 所以其 dv/dt 能力是较为脆弱的对 di/dt 来说, 它还存在一个导通区的扩展问题, 所以也带来相当严格的限制功率 MOSFET 的情况有很大的不同它的 dv/dt 及 di/dt 的能力常以每纳秒 ( 而不是每微秒 ) 的能力来估量但尽管如此, 它也存在动态性能的限制这些我们可以从功率 MOSFET 的基本结构来予以理解图五是功率 MOSFET 的结构和其相应的等效电路除了器件的几乎每一部分存在电容以外, 还必须考虑 MOSFET 还并联一个二极管同时从某个角度看, 它还存在一个寄生晶体管 ( 就像 IGBT 也寄生一个双极性管一样 ) 这几个方面, 是研究 MOSFET 动态特性很重要的因素首先 MOSFET 结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达当反向 di/dt 很大时, 二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺, 它有可能进入雪崩区, 一旦超越其雪崩能力就有可能将器件打坏作为任何一种 PN 结二极管来说, 仔细研究时其动态特性是相当复杂的它们和我们一般理解 PN 结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同当电流迅速下降时, 二第 9 页 - 共 10 页

10 极管有一阶段失去反向阻断能力, 即所谓反向恢复时间 PN 结要求迅速导通时, 也会有一段时间并不显示很低的电阻在功率 MOSFET 中一旦二极管有正向注入, 所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的 MOSFET 的复杂性功率 MOSFET 的设计早已采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用在不同代功率 MOSFET 中其措施各有不同, 但总的原则是使漏极下的横向电阻 Rb 尽量小因为只有在漏极 N 区下的横向电阻流过足够电流为这个 N 区建立正偏的条件时, 寄生的双极性晶闸管才开始发难然而在严峻的动态条件下, 因 dv/dt 通过相应电容引起的横向电流有可能足够大此时这个寄生的双极性晶体管就会起动, 有可能造成 MOSFET 不能恢复的损坏所以考虑瞬态性能时对功率 MOSFET 器件内部的各个电容 ( 它是 dv/dt 的通道 ) 都必须予以注意瞬态情况是和线路情况密切相关的这方面我公司对于应用有研究的工程师会给你最好的指导如果对器件有了深入理解, 将大大有利于理解和分析相应的问题同时, 为了追求更低 Rds(on) 的 MOSFET, 又要求有更优秀的动态性能, 我们正努力研究新结构的 MOSFET 第 10 页 - 共 10 页

TONE RINGER

TONE RINGER 4A 700V N 沟道增强型场效应管描述 SVF4N70F N 沟道增强型高压功率 MOS 场效应晶体管采用士兰微电子 F-Cell TM 平面高压 VDMOS 工艺技术制造先进的工艺及条状的原胞设计结构使得该产品具有较低的导通电阻优越的开关性能及很高的雪崩击穿耐量该产品可广泛应用于 AC-DC 开关电源,DC-DC 电源转换器, 高压 H 桥 PWM 马达驱动特点 4A,700V,R