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功率MOSFET结构及特点

2016-10-10 10:58:30 7007 微处理器半导体晶体管

0 1 横向双扩散型场效应晶体管的结构功率MOSFET即金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor）有三个管脚，分别为栅极（Gate），漏极（Drain）和源极（Source）。功率MOSFET为电压型控制器件，驱动电路简单，驱动的功率小，而且开关速度快，具有高的工作频率。常用的MOSFET的结构有横向双扩散型场效应晶体管LDMOS（Lateral Double-Diffused MOS）、平面双扩散型场效应晶体管（Planar MOS）和沟槽双扩散型场效应晶体管（Trench MOS）。 N沟道的横向双扩散型场效应晶体管的结构如图1所示，栅极，漏极和源极都在硅片的上表面，下部为衬底，当电流从漏极流向源极时，电流在硅片内部横向流动，而且主要从硅片的上表层流过，因此没有充分应用硅片的尺寸，电流和电压的额定值受到限制。但这种结构具有低的电容，因此开关速度快，主要适合低压应用，如微处理器、运放、数字电路及射频电路等。图1：N沟道横向导电的平面结构 2 平面双扩散型场效应晶体管 N沟道的平面双扩散型场效应晶体管的结构如图2所示，栅极和源极在硅片的上表面而漏极连接到衬底的下表面。源极和漏极在晶元的相对的平面，当电流从漏极流向源极时，电流在硅片内部垂直流动，因此可以充分的应用硅片的面积，来提高通过电流的能力，合适于功率MOSFET的应用。这种结构称为垂直导电双扩散MOS结构VDMOSFET（Vertical Double Diffused MOSFET）。N沟道MOSFET衬底为高掺杂的N+衬底，高掺杂沟道部分的体电阻小。然后上面为为N-的epi层，上面有两个连续的扩散区P-，沟道在P-区形成。在P-区内部，扩散形成的N+为源极。硅片表面形成栅极氧化物，多晶硅栅极材料沉积后，在连接到栅极的多晶硅层下面，就会形成一个薄的高质量的氧化层，从而产生沟道。工作原理是：栅极和源极间加正向电压，P-区中的少数载流子，即“少子”，也就是电子，被电场吸引到栅极下面的表面，随着栅极和源极正向偏置电压的增加，更多的电子被吸引到这个区域，这样本地的电子密度要大于空穴，从而出现“反转”，即在栅极下面的P-区的材料从P型变成N型，形成N型“沟道”，电流可以直接通过漏极的N+型区、N-型区、栅极下面N型沟道，流到源极N+型区。在功率MOSFET的内部，由许多这样的单元，也称“晶胞”，并联而成。硅片的面积越大，所能加工的单元越多，器件的导通电阻越小，能够通过的电流就越大；同样，在单位的面积的硅片上，能够加工的晶胞越多，也就是晶胞单位密度越大，器件的导通电阻也就越小。通常器件的导通电阻越小，电流额定值也就越大。由于栅极不通过功率主回路的大电流，因此栅极占用的部分硅片的面积不能充分得到应用，也就影响到能够加工的晶胞单位密度的最大值。同时，由于栅极的面积大，寄生电容就越大，因此开关性能较差。这种结构工艺简单，单元的一致性较好，因此它的跨导的特性比较好，雪崩能量比较高，同时寄生电容也较大，主要应用于高压的功率MOSFET和开关频率不太高的中压功率MOSFET。如果需要低的导通电阻，只有增大的晶片面积，晶片的面积受到封装尺寸的限制，因此不适合于一些高功率密度的应用。平面型高压的功率MOSFET管的耐压主要通过厚的低掺杂的N-的外延层即epi层来控制。图2：N沟道垂直导电的平面结构及Rdson组成在低压器件中，由于N-外延层比较薄，N+层和漏极的金属衬底对通态的电阻影响大；大于100V的器件，N-外延层是通态电阻主要组成部分。低压器件中，沟道电阻和晶元之间的区域也会对通态电阻产生影响。沟道电阻主要依赖于栅极驱动程度。Vgs增加，Rdson减小。开始时，当Vgs增到阈值电压Vth以上时，Rdson很快降减小，表明MOSFET沟道导通。当Vgs进一步增加，Rdson下降比较来缓，因为沟道完全导通，MOSFET导通电阻由其它的电阻组成部分决定。当器件缩小到更小的尺寸，RS , RCH也减小，因为更多的单个的单元晶胞将堆积在给定的硅片区。另一方面，P+区域夹在两个N区域之间，当电流被限制在靠近P-体区域的狭窄的N-区中流过时，将产生JFET效应，即把各晶胞的P-基区所夹住的那部分看为JFET，是结型场效应晶体管（Junction FET）的简称，产生一个寄生的JFET，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，从而增加通态电阻。平面MOSFET的RDS(ON)由于下面几个部分组成： RS : 源极电阻 RCH : 沟道电阻 RJFET : JFET区电阻 REPI : 硅片顶层电阻，外延硅epi，epi控制着MOSFET可以承受的阻断电压的值 RSUBS : 硅衬底电阻，epi从它上面生长。 3 沟槽双扩散型场效应晶体管从图2的结构知道，对于单位面积的硅片，如果要减小功率MOSFET的导通电阻，就要提高晶胞单位密度，也就是要减小每个晶胞单元的尺寸，即要减小栅极的所占用的面积。如果采用图2的结构，用深度来换面积，将栅极埋入基体中，形成垂直的沟道，从而保持沟道的宽度，这样形成的结构称为垂直导电的沟槽结构。图3：N沟道垂直导电的沟槽结构及Rdson组成工作原理是：栅极和源极间加正向电压时，在P-和栅极相邻的区域，形成垂直的沟道，电流从漏极流向源极时，同样的，电流垂直流过硅片内部，可以看到，栅极的宽度远小于垂直导电的平面结构，因此具有更小的单元的尺寸，导通电阻更小。常用的沟槽有U型沟槽和V型沟槽，U型沟槽使用更多。这种结构由于要开沟槽，工艺复杂，单元的一致性，跨导的特性和雪崩能量比垂直导电的平面结构稍差，但对于同样面积的硅片，它的导通电阻更高，寄生电容小，适合于低压的功率MOSFET，应用于高频非隔离的DCDC变换器，以提高系统的效率，降低系统的体积。AOS的AON6240就是采用这种技术，电压40V，Rdson=1.6m，广泛的应用于通讯模块电源的副边同步整流。沟漕和平面型MOSFET的RDS(ON)组成部分主要的不同在于出现JFET部分，沟漕型由于没有JFET效应，可以得到更高密度的缩减，实现低的RDS(ON)。沟漕MOSFET的RDS(ON)由于下面几个部分组成： RS：源极电阻 RCH：沟道电阻，栅极下沟道的电阻。 RACC：聚集区电阻 REPI：硅片顶层的电阻，外延硅即epi层，在原始的低阻衬底(substrate)硅片上向外延伸一层高阻层，其控制着MOSFET可以承受的阻断电压值。 RSUBS: 硅衬底电阻，epi从它上面生长。三种结构的导通电阻和Qgd关系如图4所示。图4：三种结构的导通电阻和QGD关系名词解释 JFET效应：在平面MOSFET沟道中，二边的P区中间夹着一个N区，由于二个P区在外面通过S极连在一起，因此，这个结构形成了标准的JFET结构。 4 隔离栅SGT场效应晶体管功率MOSFET的导通电阻Rds(on)和寄生的电容是一个相互矛盾的参数，为了减小导通电阻，就必须增加硅片面积；硅片面积增加，寄生的电容也要增加，因此对于一定的面积硅片，只有采用新的工艺技术，才能减小的寄生的电容。通常功率MOSFET的开关损耗主要与米勒电容、即漏极和栅极的电容Qgd相关，如果减小漏极和栅极相对的接触面积就可以减小米勒电容，最为直观的方法就是分拆栅极并采用屏蔽技术SGT（SplitGate Technology）。图5中，除了栅极结构，其它的部分就是标准的采用Trench工艺的功率MOSFET。栅极被分割成上下两个部分，下部分用一些特殊的材料屏蔽起来，下部分在内部和上部分的栅极相连，而下部分栅极的屏蔽层被连接到源极，从而减小漏极栅极米勒电容，极大的减小了开关过程中米勒平台的持续的时间，降低了开关损耗。同时，这种结构由于改变了内部电场的形态，将传统的三角形电场进一步的变为更为压缩的梯形电场，可以进一步减小epi层的厚度，降低导通电阻，减小热阻。这种结构是AOS的专利技术，目前AOS新一代的低、中压的功率MOSFET，广泛的采用这种结构，如AON6262E/AO4262E，就是采用这种技术，专门针对手机快冲QC的副边同步整流SSR应用，DCM工作模式具有非常优异的效率，同时对于CCM模式具有优异EMI及抗ESD能力。图5：采用SGT新型功率MOSFET结构 5
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