POWER MOSFET 與 IGBT 之基礎知識今天,POWER MOSFET(POWER METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR: 大功率金屬氧化物半導體場效電晶體 ) 已成為大功率元件 (POWER DEVICE) 的主流, 在市場上居於主導地位 以電腦為首之電子裝置對輕薄短小化以及高機能化的要求帶動 POWER MOSFET 的發展, 此一趨勢方興未艾, 技術之進步永無止境 在龐大電腦市場支撐之下, IC 開發技術人員在 大功率元件採用單晶 IC(MONOLITHIC) 技術 方面促成了 MOS 系大功率元件的突破 尤其是低耐壓大功率 MOSFET, 隨者其母體 MOS IC 之集積度的提高而性能大增 ( 雙極電晶體 BIPOLAR TRANSISTOR 無法達到) 大功率 MOSFET 的動作原理十分容易了解, 適合於驅動電路及保護電路等製成 IC 大功率元件 (POWER DEVICE) 不可避免地會發熱, 在此情況下,POWER MOSFET 的 MOS (METAL OXIDE SEMICONDUCTOR) 系閘極 (GATE) 四周圍繞的絕緣膜 ( 材質通常為 SiO2) 的品質決定其特性及可靠度 在元件技術及應用技術確立之時期, 開發完成 AVALANCHE FET 並付諸生產, 此種元件即使是在崩潰 (AVALANCHE) 之情況下也不會發生破壞 之後, 大功率 MOSFET(POWER MOSFET) 剩下的未解決課題是高耐壓化,1998 年在市場嶄露頭角的 COOL MOS 將業界水準一舉提高至相當高的層次 AVALANCHE FET 及 COOL MOS 可以說是確定 MOS 系大功率元件之評價的兩大支柱 在當初,IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) 期待只將 NCH POWER MOSFET 的基片 (SUBSTRATE) 的極性從 n 型變更成 p 型就能夠實現高耐壓 大電流元件, 但是,IGBT 在本質上為雙及元件 (BIPOLAR DEVICE), 對於單及元件 (UNIPOLAR DEVICE)POWER MOSFET 世代的技術人員而言較為難以了解 近年來, 雙極電晶體 (BIPOLAR TRANSISTOR) 的基礎知識以及以往所累積的寶貴經驗重新受到重視, 這是有趣的現象 ( 本來, 電子之技術革新有全盤推翻以往所有技術的趨勢 ) 進入 1990 年代後,POWER MOSFET 及 IGBT 等 MOS 系元件取雙極系元件 (SCR 閘流體 BJT 雙極接合型電晶體 ) 之地位而代之, 如今已成為大功率元件 (POWER DEVICE) 之主流, 其主要原因是,MOS 系積體電路如今已成為 IC 的主流了 隨著手提型計算器及電腦等之迅速普及, 為了節省消耗功率而延長電池之使用時間, 性能稍差但省電的 MOS IC 頓時成為時代之寵兒 同時, 導入先進之 IC 微細加工技術之後使得大功率元件之性能大幅提高 代表性之數位 IC 的特徵製造技術數位 IC 積極度*能源節約動作速度**低電壓化 TTL 50 1~20m 1.5~10 5 BIPOLAR I²L 300 100μ 15 1 MOS CMOS 200 2.5μ 5~10 3 * 5μrule 之場合 GATE/mm² W n 秒 V **傳輸延遲時間 POWER MOSFET 之特徵
第一個進入市場的 MOS 系大功率元件是 POWER MOSFET, 當初之高耐壓 MOSFET 的功率損失 (POWER LOSS) 很大, 而且, 驅動方法與以往不同, 因而為電路設計老手所排斥 不過, 其高頻特性十分優秀, 不易破壞在低電源電壓下動作時之功率損失 (POWER LOSS) 遠低於以往之元件, 因此, 發揮其優點的應用技術逐漸普及, 以緩慢而穩定的速度擴展市場 尤其是隨著使用電池電源之攜帶型電子機器的迅速發展,POWER MOSFET 扮演著十分重要的角色 POWER MOSFET 的弱點是高耐壓化後之功率損失激增 使用市電 AC 電源之電子裝置所使用的 POWER MOSFET 的耐壓必須高達 500~1000V 左右, 在此高壓領域内, 在動作原理上, 其功率損失較雙極 (BIPOLAR) 系大功率元件為大 如果將元件之晶片尺寸 (CHIP SIZE) 加大時能夠降低功率損失, 但是會增加成本 ( 在比較元件之電氣性能及價格時以相同大小之晶片的條件作比較 ) IGBT 之特徵和 POWER MOSFET 的比較,IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) 在耐壓 600V 以上之領域的功率損失相當低 IGBT 的輸出部分屬於雙極元件, 具有以往之雙極電晶體 (BJT:BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR) 的優點與缺點, 雖然可以藉 IC 之設計技術提高 BJT 之性能, 但是, 無法根本解決 BJT 的電荷存儲時件 (STORAGE TIME) 問題 (BJT 在 OFF 時需耗費較長時間 ), 因此, 在需要作高速開關動作 (HIGH SPEED SWITCHING) 之領域較不適合使用 IGBT, 但是, 在使用 AC 市電驅動之場合 ( 例如驅動馬達等之場合 ), 在高電壓大功率之應用領域内使用 IGBT 的效率遠較 POWER MOSFET 為高 分立型半導體元件 (DISCRETE SEMICONDUCTOR) 將來生存之必需條件是必須能夠以和製作 IC 相同的設備來製造 (IC 之生產量為大功率元件的 10 倍以上 ), 而 POWER MOSFET 以及 IGBT 均具備此條件 MOS 系大功率元件之分類 大功率元件 (POWER DEVICE) 可依以下數點加以分類 :1 動作原理 2 使用目的 3 元件材料之種類 4 截面形狀 5 元件基片材料 (SUBSTRATE MATERIAL) 之極性以及外加電極性 6 容許消耗功率及外殼封裝 此外對於 POWER MOSFET 加以細分追加以下數項分類 :7 表面形狀 8 偏壓 (BIAS) 之方法 9 閘極 (GATE) 構造 10 元件内部之電流流動方式 依動作原理而分類
傳輸電流之媒體有兩種, 一種是以一種載子 (CARRIER) 傳輸電流的媒體, 稱為單極元件 (UNIPOLAR ELEMENT); 另外一種是以二種載子傳輸電流的媒體, 稱為雙極元件 (BIPOLAR ELEMENT) 前者之具體實例為 FET(FIELD EFFECT TRANSISTOR), 後者則有 BJT(BI JUNCTION TRANSISTOR) 及 SCR(SILICON CONTROLLED RECTIFIER) 等 如圖所示為這些大功率元件的構造簡圖 這些元件均有 3 個端子, 在元件内部有 2~3 個 PN 接合存在 FET 和 BJT 内部的 PN 接合十分相似 ( 不過,FET 為縱向接合,BJT 則為橫向接合 ), 不過, 兩者之動作原理完全不同, FET 自始就只有一個通道 (CHANNEL) 存在, 換句話說, 洩極 (DRANIN) 和源極 (SOURCE) 間處於導通狀態 反之 BJT 之場合, 在射極 (EMITTER) 和集極 (COLLECTOR) 之間至少有一個逆方向 PN 接合二極體存在, 此逆向二極體將電流予以阻絕 SCR 由二個 BJT 構成,SCR 顧名思意為整流器, 電流僅從陽極往陰極方向作單向流通 如果利用 SCR 來直接控制正負變化之交流時, 所能控制之範圍為 0~50% 將兩個 SCR 作反向並聯連接以擴大控制範圍, 這就是 TRIAC 電流能夠雙方向流通 ( 如圖示 )
POWER MOSFET 與 IGBT 之關係 IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) 乃是 MOSFET 與 BJT 的複合元件 MOSFET 與 SCR 之複合元件稱為 MCT(MOS CONTROLLED THYRISTOR), 如表所示為各種大功率元件 的動作速度與電流密度的比較 和單極元件 POWER MOSFET 比較, 雙極元件 IGBT 及 MCT 能夠 藉傳導度調變提高電流密度 但是, 提高電流密度之後難以令其 OFF(TURN OFF), 於是, 電流 密度較 IGBT 為高的 MCT 的 OFF 速度更慢 不過, 雙極元件的 ON 速度和 MOSFET 並無太大差 異 大功率元件之動作速度及電流密度 電流密度* 動作時間 MOS 化後 FET 1 50n POWER MOSFET BJT 4~5 1μ IGBT SCR ~15 20μ MCT ** 秒 *耐壓 500V 之場合的相對比較 **深受期待但未能在市場立足 接合型 FET 與 MOS 型 FET 因閘極構造之不同,FET 可分為接合型與 MOS 型兩大類 接合型 FET 的閘極藉 PN 接合與源極 洩極分離 在 PN 接合界面之處經常形成一種稱為 空乏層 (DEPLETION LAYER) 的絕緣領域, 空乏層之厚度隨著施加於接合上之電壓的極性及大小而增減變化 MOS 型 FET 之場合, 閘極與源極及洩極之間隔著 SiO2 等之絕緣膜而完全分離 在穩定狀態下, 流過閘極絕緣膜之電流很小, 只有 1nA 左右 使用時之注意事項 MOS 系元件在使用時必須注意避免遭受靜電破壞 ( 雙極系元件較無此項顧慮 )
(a) 包裝與搬運 採取妥善之包裝方式以免搬運 MOSFET 之時在閘極 源極間產生靜電 如果是塑膠封裝 (PLASTIC PACKAGE) 之 MOSFET 的場合, 只要將其裝入導電性袋子内即可 如果是金屬封裝之場合, 必須使用導電性托盤 (TRAY), 並注意引線端子不要接觸到非導電部 不使用時不要打開 MOSFET 之包裝 作業人員之人體及衣服必須接地以洩放所帶之靜電 拿取 MOSFET 時抓外殻封裝本體, 不可接觸其引線端子 作試驗或組裝時所用之裝置一定要接地 (b) 作業環境在原理上, 能夠對整個作業環境實施靜電防止措施, 不過, 針對各個作業台分別實施靜電對策較為合理, 此時, 必須遵守的一般原則如下 : 令桌面帶有中度之導電性, 並予以接地 令地板亦同樣地帶有中度之導電性, 並予以接地 人體亦須接地 (c) 相對濕度濕度越高越容易洩放靜電 ( 靜電之漏電越大 ), 因此, 作業環境之相對濕度必須保持在 50% 以上 當相對濕度超過 70% 時, 幾乎完全不會產生靜電 (d) 作業人員之指導特別是整個作業環境未實施靜電防止對於策之場合, 對於作業人員之注意事項也各有不同, 必須定期地徹底指導各作業人員 主要項目如下 : 作業服裝之穿戴 接地睕帶之佩帶 在打開包裝取零件時必須先將人體予以接地放電 僅可在已經經由電阻接地之場所作業 區別可能帶電的物品 ( 黏貼帶 橡皮蓋 塑膠膜 ) 區別已實施靜電防止之場所及未實施之場所 (e) 測試電路内之保護對策 測試裝置一定要接地 在將受測元件架上測試裝置之前必須先將試驗電壓歸零 使用特性曲線瞄繪儀 (CURVE TRACER) 時, 為了防止寄生振盪, 在受測 MOSFET 之閘極上串聯 100Ω 以上之電阻 在測試 MOSFET 時, 所有之端子均必須配線 ( 不可任其開路 ) 在改變測試條件時, 必須先將外加電壓及電流歸零