（微电子学与固体电子学专业论文）功率vdmosfet体二极管的优化研究.pdf

摘要 摘要 随着电子技术的迅速发展，为适应各种快速微处理器、便携式电 子产品和服务器供电的需求，低电压大电流输出变换器的研究成为十 分重要的课题之一。在低电压大电流输出的情况下，使用一般的二极 管整流，整流损耗占了变换器总损耗的一半以上，很难达到高效率。 使用同步整流技术则可以较大地减少整流损耗，从而提高变换器的效 率。不管采用那种同步整流技术，都是通过使用低导通电阻的m o s f e t 替代输出侧的整流二极管，以最大限度地降低整流损耗。而v d m o s f e t 作为功率m o s 器件的主流在同步整流电路里面得到了广泛的应用。 同步整流电路中功率v d m o s 的导通电阻是导致功率损失的原因之 一。但是在高效率的功率转换器中，导致功率损失的另外一个主要原 因是功率v d m o s 的体= 极管。 为了提高整流器的转换效率，本文在充分了解功率v d m o s f e t 器件 发展状况、分析v d m o s f e t 器件工作原理的基础上对功率v d m o s f e t 体 二极管进行了优化设计。主要工作可概括为以下三个方面： i 、从调整器件参数方面来优化体二极管，在不改变工艺流程的前 提下，得到了较为满意的结果。反向恢复电荷减少3 0 。具体内容在第 三章中阐述。 2 、从减小少子注入的原理入手提出了一种改进的v d m o s f e t 结构。 此结构采用兰极管分担电流从而减少体= 极管反向恢复电荷。基于此 思路，新结构v d m o s f e t 反向恢复电荷减少3 6 7 。具体内容在第四章 第一节中阐述。 3 、从减小少子注入的原理入手提出了另一种改进的v d m o s f e t 结 构。此结构采用肖特基二极管分担电流从而减少体二极管反向恢复电 荷。基于此思路，新结构v d m o s f e t 反向恢复电荷减少4 0 8 。具体内 容在第四章第二节中阐述。 关键词：v d m o s f e t 、同步整流、体二极管、反向恢复 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee v o l u t i o no ff a s t e ra n dm o r ep o w e r f u lp r o c e s s o r si s d r i v i n gl c s t ol o w e ro p e r a t i n gv o l t a g e sa n dh i g h e rc u r r e n tr e q u i r e m e n t s t h i sd e m a n d f o rh i g h e rp o w e r c u r r e n td e n s i t i e sp u t se v e ng r e a t e re m p h a s i so nt h en e e d t o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e rs u p p l y t o m e e tt h i s c h a l l e n g e ， m a n yd e s i g n e r sa r ec o n s i d e r i n gs y n c h r o n o u sr e c t i f i e r s t h eh i g hd e n s i t y p o w e r m o s f e t d e s i g n s h a v eb e e n i n c o r p o r a t e d i n t od c d cb u c k c o n v e r t e r f o rs y n c h r o n o u sb u c kc o n v e r t e ru s e di nd c d ca p p l i c a t i o n s ，o n e m a j o rc o n t r i b u t o rt os w i t c h i n gl o s s e s i sr e v e r s er e c o v e r y ，s o m e t i m e si s g r e a t e rt h a nt h eo n - r e s i s t a n c e t h el o ws i d em o s f e tu s e di ns y n c h r o n o u sb u c kc o n v e r t e r sm u s tb c o p t i m i z e dt oa t t a i nh i g h e rp o w e re f f i c i e n c y t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri s t oi n t r o d u c et h r e em e t h o d st or e d u c ep o w e rl o s so ft h el o ws i d em o s f e t u s e di ns y n c h r o n o u sb u c kc o n v e r t e r s f i r s tw e o n l y o p t i m i z e d e v i c e p a r a m e t e r s w i t h o u t a d j u s td e v i c e s t r u c t u r e a n dr e v e r s er e c o v e r yc h a r g ei sr e d u c e d3 0 s e c o n dw ep r e s e n tan o v e lv d m o ss t r u c t u r ew i t ha n i n t e g r a l t r a n s i s t o rt op a r a l l e lb o d y - d i o d e a n dr e v e r s er e c o v e r yc h a r g ei sr e d u c e d a tl e a s t3 6 7 t h i r dw e p r e s e n tan o v e lv d m o s s t r u c t u r ew i t ha ni n t e g r a ls c h o t t k y d i o d et o p a r a l l e lb o d y - d i o d e a n dr e v e r s er e c o v e r yc h a r g e i sr e d u c e d 4 0 8 k e yw o r d s ：v d m o s f e t 、s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n 、b o d y d i o d e 、 r e v e r s er e c o v e r y i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 签名：鱼墅墨日期：2 优亏年幺月口日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 一 e t l 蓼i ：2 0 0 4 年幺月么日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 功率n o s f e i 的发展 “m o s f e t ”是英文m e t a 卜o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t t r a n s is t o r 的缩写，意即“金属氧化物半导体场效应晶体管”。 m o s f e t 的理论在1 9 2 0 1 9 3 0 年就已经提出，虽然晚于场效应晶体管理 论，但早于双极结型晶体管理论2 0 多年。在那时，美国的 j e l i l ie n f e l d 提出了：一块半导体的两端分别做一个金属接触并且 在半导体表露上覆盖一个金属板的晶体管模型。即在会属场板上加屯 压，在半导体表面形成电场，来控制金属接触之间的电流流动。这是 场效应晶体管的最初概念。但由于缺乏合适的半导体材料和先进的工 艺，场效应晶体管的发展非常缓慢。w i l l i a ms h o c k e ly 在1 9 5 2 年提出 了结型场效应晶体管( j e f t ) 。d a c e y 和r o s s 在1 9 5 3 年对它加以改进。 在j f e t 中，两个p n 结分别替换了l i l i e n f e l d s 模型中的金属接触， 原来的两个金属电极分别称为源极和漏极，金属扳为栅极。之后，虽 然m o s f e t s 小信号方面的研究仍在继续，但是功率m o s f e t 设计上并没 有明显的改进。直到七十年代，才开始介绍有新的m o s f e t 产品。八十 至九十年代是功率m o s f e t 兴起的年代。八十年代功率m o s f e t 与品闸 管并行发展。九十年代m o s 器件迅速占领了相当大部分的中小功率器 件市场，尤其在功率变换领域。 从m o s 型器件来看，它一直在向两个方向发展： 按传统功率半导体的方向，即希望器件能有较高的电压，但仍 有较低的内阻或压降。 m o s f e t 的更为主导的方向是向极低内阻等方向发展。最典型的 就是在电脑中的应用，改进的趋势是高效、高频。为达到这种性能， 屯子科技大学硕士学位论文 它要求每个m o s f e t 山更多更小的m o s f e t 元胞组成。这就要求其工艺 精度必须向深亚微米方向发展。 1 1 2 功率m o s f e t 的分类 m o s f e t 器件中根据电极引出情况和电流流向的不同，功率m o s f e t 器件可以分为横向功率器件和纵向功率器件。一般来讲，横向功率器 件的电极位于芯片表面，电流呈横向流动。纵向器件的电极位于器件 的表面和衬底材料的底部，电流是纵向流动。要了解功率m o s f e t 器件 的发展，就要了解这两类器件的发展。 横向沟道器件的漏极、源极和栅极都在芯片表面，易于通过内部 的连接与低压信号电路集成。故在高压集成电路和功率集成电路中作 为高压功率器件特别适用。 横向沟道器件中由于管芯占用的硅片面积太大，硅片表面利用率 不高，器件的频率特性也受影响，推出了垂直功率m o s ( v v m o s 图 卜3 ( a ) ) ，较好的解决了这一问题。垂直m o s 与横向m o s 的最大区别是 将漏区、漂移区和沟道区从硅片表面分别转移到硅片的底部和体内， 而且对应每个v 形槽有两条沟道，因此管芯占用的硅片面积大大地缩 小。这不仅大大地提高了硅片表面的利用率，而且器件的频率特性也 得到了很大的改善，使功率m o s 从小功率向大功率领域迈进的过程中 前进了一大步。 ( a ) ( b ) 图1 - 3 ( a ) v v m o s 结构示意圈( b ) v u m o s 结构示意图 2 第一章绪论 但是进步的研究发现，上述垂直m o s 结构存在如下一些缺点： 一、在v 槽的尖端存在很强的电场，这会严重地影响器件击穿也压的 提高；二、器件导通电阻较大；三、v 槽的腐蚀不大容易控制，而且栅 氧化层暴露，易受离子玷污，造成闽值电压不稳，可靠性下降。为了 克服这些缺点，后来，v kt e m p e 等提出了如图卜3 ( b ) 所示的垂 直u 槽结构( v u m o s ) 。这里的u 形槽是通过控制腐蚀v 槽的两个斜面 刚进入n 一漂移区但还未相交时停止腐蚀得到的，当这种结构的栅极加 正偏压时，不仅在p 型沟道区中会形成反型层，而且在栅极覆盖的n 漂移区中还会产生积累层。于是源极电流将经过反型层流入该积累 层，然后积累层将电流如图中虚线所示那样分配到漏极。适当选取栅 极覆盖的漂移区宽度，可使器件的导通电阻大大减小。同时也避免了v 槽顶部的强电场出现。但u 槽的腐蚀同v 形槽一样难于控制，栅氧化 层也一样暴露。为此，1 9 7 9 年h w c o l l i n s 等人提出了一种不需要腐 蚀v 槽或u 槽并且不暴露栅氧化层的垂直双扩散m o s ( v d m o s ) ，其结构 如图卜4 ( a ) 所示。其中多晶硅栅被埋在源极金属的下面，源极电流 穿过水平沟道，经过栅极下面的积累层再通过垂直n 一漂移区流到漏 极。这种结构的功率m o s ，工艺上与现在高度发展的超大规模集成电路 工艺相容，因此发展很快。 ( a ) ( b ) 图i - 4 ( 8 ) v d m o s 结构示意圈( b ) t r e n c hm o s 结构示意图 v d m o s 虽然较好克服了v v m o s 和v u m o s 的缺点，使器件耐压水平、 可靠性和制造工艺方面前进了一步，但其导通电阻仍然比较高。为了 减小导通电阻，采用腐蚀挖沟槽的方法将原来的v d m o s 的“t ”字型导 电通路缩短为两条平行的垂直型导电通路，彻底去除了两个相邻圆弧 3 电子科技大学硕士学位论文 状p n 结问的j f e t 效应。提出了t r e n c hm o s ( t m o s ，u m o s ，r m o s ) 结构， 如图1 4 ( b ) 所示。目前，功率器件对导通电阻、击穿电压、饱和电 流等方面提出更高的要求，人们开始着眼于具有商沟道密度的t r e n c h 功率器件t r e n c hm o s 成为功率器件研究的新热点1 。 为了获得与t r e n c hm o s 相同的低导通电阻，避免采用复杂的腐蚀 挖槽方法，仅用传统的平面工艺而开发出一种专利技术c o o lm o s ” 技术。原理：利用电荷补偿效应降低电场峰值，提高耐压的同时减小 比导通电阻。简单来说，是由p 型和n 型掺杂的半导体材料相互交叠 形成的一种耐压结构，这种耐压结构可以代替以前m o s 器件中单一掺 杂类型的漂移区，从而改善m o s 器件性能。 圈卜5c o o lm o s 结构示意图 综上，在各类功率器件中，功率m o s f e t 具有输入阻抗高、导通电 阻低、以及开关速度快等优点，更重要的是与标准m o s 低压工艺兼容 性较好，因此已经广泛地应用于功率集成电路中。特别是l d m o s 和 v d m o s 结构。功率m o s f e t 的主流是垂直双扩散m o s f e t ( v d m o s ) 。 1 1 3 功率v d m o s f e t 的应用 v d m o s 结构器件广泛应用于便携式电脑、汽车电子、开关电源、 电机调速和照明节能等领域。为适应各种快速微处理器、便携式电子 产品和服务器供电的需求，低电压大电流输出变换器的研究成为十分 重要的课题之一。在低电压大电流输出的情况下，使用一般的二极管 整流，很难达高效率。而采用低导通电阻的v d m o s f e t 作为整流管是克 4 第一章绪论 服这一障碍的有效途径1 。v d m o s f e t 器件以其导通电阻低，j l 笑速度 快，得到了广泛的应用。 国内电力电子器件市场预测“：目前国内v d m o s 与i g b t 产黼9 0 以上依赖进口。电力电子器件的国内需求量每年增长达l5 ，已超过3 亿只，而新型电力电子器件v d m o s 与i g b t 每年的需求量增幅更达2 5 。 预计到2 0 0 5 年，i g b t 国内市场需求将达7 5 0 万只，v d m o s 需求量将达 到6 亿只，器件和基础类产品销售收入将达4 0 0 0 亿元。 国际电力电子器件市场预测”“：世界电力电子器件市场销售额每 年以9 的速率递增。v d m o s 器件以每年3 2 6 的速率增长，i g b t 的年 增长率为3 0 。预计到2 0 0 5 年i g b t 市场需求将达到5 6 亿只，市场规 模将达1 1 1 亿美元。目前v d m o s 半导体芯片的全球市场占有率超过3 0 ， 市场需求量达6 0 0 亿只以上。 具体说来同步整流电路里面的v d m o s f e t 它的工作效率直接影响 整个电路的工作效率。以半桥d c d cb u c k 变换电路为例( 图1 6 ) ，同 步v d m o s f e t 的工作效率受限于其寄生体二极管“”1 。该电路的：【：作过 程如下( 图i 一7 图l 1 0 ) ：当c o n t r o lm o s f e t 开启时，栅驱动信号使 s y n c h r o n o u sm o s f e t 关断，电源向电路里面传输能量；当c o n t r o l m o s f e t 关断时，栅驱动信号使s y n c h r o n o u sm o s f e t 丌启，s y r c h r o n o u s m o s f e t 起续流的作用。但是，在c o n t r 0 1m o s f e t 和s y n c h r o n o u sm o s f e t 关断和导通的时问点有一个“死区”时闻“。这个时问段是为了防j l ： 两个m o s f e t 同时导通短路。电路里面电流还是连续的这时就山 s y n c h r o n o u sm o s f e t 的寄生二极管导通续流。 图1 - 6d c d c 变换电路基本原理图幽i 一7 电感里面存储l u 磁能埘 5 也子科技大学硕十学位论文 。习一肆一t 一三： 一生三： 圈卜8s y n c h r o n o u sm o s 导通续流幽1 - 9 体二二极管导通续流 图1 1 0 体二二极管反向恢复和电感再次存储电磁能缸 二极管导通不仅正向压降大而且还引入了反向恢复的问题( 图 1 一1 0 ) ，众所周知，二极管是少子器件，它的反向恢复性能差。这就使 v d m o s f e t 整流特性大打折扣。 1 2 优化v d m o s f e t 体二极管的意义 ， 在速度更高、电压更低、电流密度更大的发展趋势下，人们需要 更高速、更高效率的功率器件。虽然v d m o s f e t 在电流变换器q i 而 的使用提高了功率的转换效率，但是由于v d m o s f e t 体二极管导通使 v d m o s 的器件特性大打折扣。因而在整流电路中，改善v d m o s f e t 的反 向恢复性能，降低损耗，提高电路的工作效率，具有重要的意义。针对 这一问题，很多机构在进行研究。在已有器件的基础上不断的进行优 化和改进，从而大幅提高产品的性价比。例如：国外f a ir c h i ld 半导 体公司、o ns e m i 半导体公司、国内的北京大学微电子所和北京工业大 学电子工程系等。 体二极管工作状态的改变需要一定的时间，从截止到充分导通要 经历一个正向恢复过程，从导通到可靠截止要经历一个反向恢复过程。 第一章绪论 因此其反向恢复特性是设计师考虑的主要因数。反向恢复电荷“、最 大反向恢复电流，一和反向恢复时问一这三个参数是反向恢复特性的 最重要参数。 ， 图1 1 1 反向恢复时电压电流波形图 1 3 本文的主要工作 我们在研究v d m o s f e t 体二极管时主要从两个方面入手：对器件参 数进行优化和采用新的结构，并且得到了满意的结果。具体晚来如下： 1 、本文第三章从器件参数方面优化设计功率v d m o s f e t 体二极管。 为降低成本，尽量减少对原器件工艺线的改动。我们从器件的浓 度参数、结构参数入手进行优化。器件主要参数的变化保持在1 0 以内， 反向恢复电荷减少3 0 以上。我们的步骤： 用i s e 仿真得到原器件的基本性能参数，以该性能参数为基准。 调节该器件各参数得到优化后的新器件。 调节的主要参数：源区、p - b o d y 区、外延区、衬底区的浓度及槲 关结深；沟道之问的长度：多晶硅栅的长度等。这个措施是在 l if 科 技大学与国外半导体公司联合实验宣的资助下进行。我们已经完成了 电子科技大学硕十学位论文 项目。 2 、本文第四章从器件结构方面优化设计功率v d m o s f e t 体二极管。 在完成项目的同时，我们对v d m o s 体二极管反向恢复问题进行了 深入的考虑。从结构上对v d m o s 进行了优化设计。 改进了的结构( 图卜1 2 ) 主要是通过反向放大的三极管工作，分 担了由体二极管导通的电流。二极管导通电流减弱，十臼应地减弱了电 导调制效应，减少了空穴的注入。我们知道在漂移区存储的过剩少数 载流子对反向恢复尖峰电流和电荷起主要作用。少数载流予减少，这 两项都会有所降低。 丁一 d r a i n 幽卜1 2 改进的v d m o s 绡构示意图 图1 1 3 改进的v d m o s 结构示意削 改进了的结构( 图卜1 3 ) 里面做一个肖特基二极管，让它与 v d m o s f e t 的体二极管并联。在续流时，两个二极管同时导通肖特些 二极管分担一部分电流。这样与未加肖特基二极管相比，体二极管导 通的电流减少，电导调制作用的强度减弱。注入到体二：二极管的少子空 穴相应减少。所以反向恢复电荷减少。 8 第二章功率v d m o s f e t 的重要参数 第二章功率v d m o s f e t 的重要参数 如前所述，进入八十年代后，功率m o s 的主流是v d m o s 。本文中 除非特别指出，一般讨论的都是v d m o s 。又因为电予的迁移率比空穴的 高。因此，只要可能，人们往往更倾向于采用n 沟道的v d m o s 器件。 本文我们均以n 沟道为例来讨论。 要分析和优化功率v d m o s f e t 必然会涉及到它的关键参数。在优化 之前有必要对它们作一下简要分折。 2 1 漏极电流 当栅极加适当极性和大小的栅极电压时，多品硅栅极在扩散沟逆 区表面感应一个反型层，如图2 - 1 。这个反型层( 沟道) 连接了源极与 漏极的轻掺杂区，并且开始导通电流，漏极电压较小时，漏极电流1 与之成线性关系： l 嘴。警眠一v , h ) v s 一互i v 。2 】 ( 2 n 1 ) 随着漏极电压的增加，漏极电流出现饱和并与栅源电压的平方成 一定关系： ，。鸭c 。x 孚( 一) ：( 2 - 2 ) 其中以为电子迁移率；c o , 为单位丽积的栅氧化层电容：w 为沟道宽度； l 为沟道长度。 2 2 阈值电压 栅压为零时，半导体表面层可能已存在电荷，要使它没有f u 荷，或 者说，要使半导体表面能带是平的，栅上应加电压，此电压称为平 9 电子科技大学硕士学位论文 带电压。这是因为：l 、栅与p 型半导体之间存在着接触电势差中。， 即使栅电压为零，此接触电势差已使得栅表面的静电位比p 型二仁导体 低了一个中。，即半导体表面已经有正电荷，栅上已有负电简。为了消 除这些电荷，栅上应加正电压中。；2 、半导体在与氧化层接触的层面 上常存在着面电荷此面电荷的密度用氏表示，为了使这些面电衙产 生的电力线都终止在栅的表面上，而不是进入半导体使半导体能带弯 曲以产生感应电荷一鲰，那么栅上应有负的面电荷，其面密度为一 艮。这对正负电荷在氧化层上的电压为纵，。肛。或即q 。c 。由此叮 见，平带电压为 v m = 由u s q c 。 t 2 - 3 、 如果氧化层内还有其它电荷，则它的作用可以用半导体表面的等效 乜 荷来反映，上式中的纵应包括这种等效电荷在内。 阈值电压定义为使半导体表面为反型层时栅上所需加的电压。 它由三部分组成：l 、栅上首先需加电压使半导体表面能带是平的； 2 、若要表面反型则半导体能带应有2 9 0 。的弯曲其中g o 。是佛内费 米能级到禁带中央的距离，故栅上还应再加2 巾。的电压；3 、能带弯l | | i 2 q m t b 对应着表面反型层到体内有一过渡层，就象n + p 结一样，此耗辟 层有电荷面密度一q = - 2 ( q n 。朋) 2 ，以为p 型衬低的杂质浓度。这个 负电荷需由栅上相应的正电荷来屏蔽，因此氧化层上又需要再加一个 电压q c o , ，综上所述，得到闽值电压1 ： v , h ：+ 2 巾 + 2 ( q n _ 6 。 0 1 ：8 ) 2 、一盯 ( 2 4 ) 由于制造p 型区是靠通过掩膜的窗口扩散受主杂质而形成的p 区表面杂质浓度不均匀，按阈电压的定义它应使表面处处形成反型 沟道，故上式j 应取最大值。同理，m 邶也应取。来算。 m 。= 等t n 等 0 ( 2 - 5 ) 第二章功率v i m o s f e t 的重要参数 p 岳l2 蓟匿酹 2 3 导通电阻 ( b )( c ) i t * 】 i 图2 一i 不同栅电压f 沟道的开启情况 功率m o s 由许多单元并联而成，由于导通电阻与面积成反比，凶 此本文讨论的均为单位面积的导通电阻“”，这个电阻与图形结构有关。 图2 2 示出了功率m o s 的电子从n + 源区流经有源区、表面积累层、“颈” 区、外延区、n + 区的有关电阻，它们分别用r + 、r 、r 、r ，、和 b 表示。 一-卜 乡嶝 懒 | c s 曲i t l 。 图2 - 2 分析比导通电阻的v d m o s f e t 结构示意幽 r 舾( 硼l = r + + r ( w + r + r + r d + r s ( 2 6 ) 现对各电阻分别讨论如下： 吼+ ：它是n + 扩散源区的电阻。与其它电m 相比，它仅占很小的 一部分。 电子科技大学硕士学位论文 沟道电阻r 。：有源区通常为一增强型m o s ，在饱和区沟道电阻为 舻纠= 揣 ( 2 7 ) 其中z 为单位面积的沟道宽度。 b 表面积累层电阻：栅电压为 时n 型表面一般为n + 积累 层，电子一方面沿表面流动，一方面分散向下。这一层是导电较好的 薄层，它与下面的“颈”部构成一个分布式的电流场。 r a = k 。z j 翩；其中k 为二维效应系数典型值为玑6 ；l 为 积累层长度；。为积累层电子迁移率： “颈”部电阻月，：为了简单起见，假定表面积累层是一个等位面， 即假设置。很小，那么r ，就是“颈”部上下两面问的f 乜阻。 r ，。曼驾兰型；其中为结深；睨为耗尽层宽度；办为积累层电阻 z ( 睾一) 率。 漂移区电阻胄。：电子从“颈”部的下面出来后丌始分散向一i - 流，假设分散的角度为4 5 0 ，可得到与实际模拟计算非常接近的结果。 电子向下流经一段距离之后与相邻元胞的电流交叠，因此再向下的流 动不存在分散，而是均匀的。 r d = r d i + r n 2 = f 磊p 蕊d 出2 铷辔) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) r m = 所( 一t 一一) ( 2 1 0 ) 上面列出的各电阻在不同的器件中占不同的比重。对于低压器件 沟道电阻r c n 、积累层电阻髟和j f e t 贾电阻r ，是主要的。由r ，。及r 。的 1 2 第二章功率v d m o s f e t 的重要参数 式子可知，单位面积的沟道宽度z 愈大，则导通电阻愈低；对于高压 器件，漂移区电阻r ，。是主要的电阻百分比示意于图2 - 3 。 舅妲 p 咏献! 。 6r 姊 i n + dr m b v d $ = 3 0 v v d s = 6 0 0 v r s ，0 5 乓 b 6 0 5 r e b 2 8 ls ； h 2 3 曩0 5 弓 r j 帆如 2 9 毛9 h 5 气 r s b 7 口j 图2 - 3 不同漏源电压下导通电阻所- i 的比例 2 4 漏源击穿电压 功率m o s f e t 的击穿电压或反向阻断电压的定义与双极型晶体管 中k 删。( 基极与发射极短路，集电极与发射极| 日j 的击穿电压) 的定 义相同，这里的击穿指的是雪崩击穿。当反向偏簧p n 结的耗尽区载流 子获得足够的动能发生电离或产生临界电场时的电压为k 啪。这一 电压的大小主要决定于轻掺杂漏极区的特性和基底端袭嘶i 乜场的类 型。 源极与p + b o d y 区短路，这是功率v d m o s l 7 e t 的k ，w 与双极型 l 体管的k 。相等的原因。短路使寄生三极管的基极一集电极结作为 二极管跨接于功率v d m o s f e t 的两端。 导通电阻和耐压的关系 功率器件的性能主要由三个参数来衡量：耐压、= r l ：关时n u 和比导 通电阻。而这些性能的优劣与否主要取决予漂移区的掺杂、载流予寿 命和导通时的调制情况即非平衡载流子的数日。功率m o s f e t 这类器件 是没有少予注入的器件，所以关断很快。因为漂移区掺杂浓度越低， 1 3 电子科技大学硕士学位论文 耐压越高，但是比导通电阻越大，所以耐压和比导通电阻是一对矛盾， 不能同时做到很好。对于一个均匀掺杂的漂移区，i j j 前人的工作可知 在最佳的条件下，即漂移区宽度是平行平面结击穿时耗尽区宽度的2 3 时，比导通电阻r o n 和击穿电压的关系为：尺。= 8 3 x 1 0 一2 5 n c m 2 。 这就是人们常说的硅极限，它描述了比导通电阻和击穿电压的极限关 系。 2 5 栅电荷 2 5 1 栅电荷 栅电荷作为功率器件重要的参数之一，对其理解的优势是能让驱 动电路设计工程师很容易得出需多大的电流使器件能在理想的时阳j 长 度内丌启和关断。 输入电容是一个很有用的参数，但比较不同公司制作的器件的丌 关性能时，它不能提供精确的结果。器件尺寸和跨导的影响使比较工 作变得更困难。从电路设计的角度，因由q = i t 可得到使器件在理想时 间内开启所需的栅电流值，所以，栅电荷是比输入电容更有用的参数。 在功率m o s 中存在两种固有电容：与m o s 结构有关的电容和与p n 结有关的电容。 与m o s 单元结构有关的两个m o s 电容“为： 栅源电容，c 。 栅漏电容，c 。栅漏电容是栅漏电压的非线性函数。栅漏电容也 称密勒电容。它出c 。( 氧化层电容) 和i ( 耗尽层电容) 组成。 与p n 结有关的电容：大功率m o s 制造过程中形成的p n 结产生了 漏源电容q ，这一电容和任何其它结电容的意义相同，是沟道漏极谢 积和反向偏置结耗尽区宽度的正比例函数。 1 4 第二章功率v d m o s f e t 的重要参数 图2 - 4v d m o s 各栅电秤示意幽 2 5 2 栅电荷曲线分析 用一曲线来理解栅电荷已经成为一种标准。下面将对栅电 荷仿真曲线做进一步的分析。 图2 - 5 栅电荷仿真曲线 第一阶段： 测试条件中，栅电流保持恒定， 不断上升。 d y e ,i g d l c + c 叫 1 5 c 。和c 州以一恒定的速率充电， ( 2 1 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 由于此时漏端耗尽层宽度处于最大值，c 0 。和c 州很d 、，可忽略。 因此，c 。远大于c 州，第一阶段表征c 。a 直到其栅源电压达到阈值 当超过k ，进入饱和区，漏电流随的增加而增加。 l ：等( 一) z ( 2 - 1 2 ) 其中，k 。为器件跨导参数，定义如下： k。=以了w巳(2-1 3 ) 在i d 达到i o 之前，i d 和不f f f i _ l = 升。，。是外加电流源电流e h 控制器件 决定。 第二阶段： 栅电荷曲线处于水平区域，栅源电压恒定在： 铂厝( 2 - 1 4 ) 由于保持恒定，栅电流开始释放密勒电容c ，或称为给密勒电 容充电。 dy耐lg d t c 州 ( 2 一1 5 ) 因此，和栅下漂移区的耗尽区宽度开始下降，降为： 曙= l o r ： ( 2 一i6 ) 随着栅下漂移区的耗尽区宽度的减小，。和c 州逐渐增加。耗尽 区空问电荷释放进沟道，为使沟道保持电中性，栅上就必须充额外的 电荷来补偿耗尽区的电荷。当降到栅漏交叠电容消失的电压值时， c 州迅速增加到c 。，这时是小于的。当耗尽区放电完毕，吃继续 减小到开态值= 吃一，m o s 器件进入线性区，一v 特性变2 , j ： 1 6 第二章功率v d m o s f e t 的重要参数 w 。卜k 一爿 第三阶段： 这个过程中，漏电流继续保持为恒定值，。此时与第一阶段相比， 因有更大的密勒电容c 蚓，所以赡。增长的速率小于第一阶段部分，并且 吃下降变缓。 2 6 反向恢复电荷 大多数功率m o s f e t 的一个特有之处是具有一个“寄生”漏一源二 极管。大多数整流器，除肖特基二极管之外，都有反向恢复特性。当 f 向电流在标准二极管流动时，在结的高阻一侧，形成了一个载流予 阶梯，显然这导致了电荷的存储。这时如果突然加一个反向偏置，在 反向恢复时问t ，内。存储电荷就会临时产生一个反向f 乜流直到电衙耗 尽为止。影响f 。值和贮存电荷的电路条件是j 下向电流的大小以及乜流 从一向幅值交到反向电流峰值的变化率。在同样电路条件下进行测试 时，g 体管寄生漏一源= 极管与高速恢复齄流器的二极管具有槲似的 t 。，。 在许多应用场合，漏源二极管不会处于正偏状态，因此并不影响电 路工作。但是在多晶体管电路枷局中，如图2 - 6 - i 一的推挽网络i u 路， 寄生二极管就起非常重要的作用。 十 图2 - 6 推挽网络电路中的v d m o s + 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 给出了功率二极管出j 下向偏景转换为反向偏簧时其动态过 程的波形。下面讨论反向恢复过程： 所有的p n 结二极管，在传导正向电流时，都将以少子的形式存贮 电荷。少子注入是电导调制的机理，它导致j 下向压降儿的降低，从这 个意义上讲，它是有利的。当正在导通的二极管突然加一个反向电压 时，由于导通时在p n 结区有大量少数载流子存贮起来，到截止时要把 这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要经过一段时m 。即恢复反 向阻断能力要经过一段时间。这个过程就是反向恢复过程。发生这一 过程所用的时问定义为反向恢复时间。其中，。为最大反向。恢复电流， 为最大反向恢复电压，q ，r 为反向恢复f 包荷，f 。为反向恢复时n u 。 图2 7 反向恢复过张中的波形幽 在，时刻外加电压突然由正向变为反向，j 下向电流在此反向电压作 用下开始下降，下降速率由反向电压大小和电路中的电感决定。而管 压降由于电导调制效应基本上变化不大，直至正向电流降为零的时刻 “。此时功率二极管由于在p n 结两侧和n 一区储存有大量载流予而并没 有恢复反向阻断能力，这些载流予在外加反向电压的作用一卜_ 被抽取出 功率二极管，空穴由阳极侧被抽出，电子由阴极侧被抽出，因而形成 较大的反向电流。 当空问电荷区附近的储存少予即将抽尽时，管压降变为负极性，1 ： 是开始抽取离空白j 电荷区较远的浓度较低的少予，因而在管压降极性 第二章功率v i i l o s f e t 的重要参数 改变后不久的，。时刻反向电流从最大值，。丌始下降空间电荷区丌始 迅速展宽，功率二极管丌始重新恢复对反向电压的阻断能力。 在t 时刻以后，少数载流子已不充分，反向电流迅速下降，在外电 路电感的作用下会在功率二极管两端产生比外加电压火得多的反向过 冲电压。 在电流变化率接近于零的，时刻，有的标准定为电流降至2 5 1 n 。, 的 时刻，功率二极管的两端承受的反向电压力降至外加电压的大小。这 时的二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。全部恢复过程巾载流子 浓度分布6 1 如图2 - 8 所示。 图2 8 反向恢复过穰中载流子浓度分布示意| ! i 软度：s ：生玉 ( 2 1 8 ) ，i 一，o 又反向恢复时间：，= f 2 一，o = ( f 2 一f 1 ) + ( ，l 一，0 ) = ( s + 1 ) ( ，l 一，o ) 一“：l ” s 1 1 9 ( 2 一1 9 ) 电子科技火学硕十学位论文 和警”u = 鲁南 玑* 扣厶= 百d i v 互丽l r r 2 如果贮存的电荷全部被抽取出那么：q ，* ，f 由上面几个等式得到： ! 生：! ：堡1 2 ：! 敛：堕型 1警1警 将，的等式带入得到： i ，= 1 j 霉2 1 r r d 一c ：孵 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 i ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 可见，q 。是一个很重要的参数，若靠少，则反向恢复时问短，最 大反向恢复电流，。小。反向恢复电荷q ，r 与二极管正向电流、载流子 寿命、讲，d f 以及结温有关。正向电流和电流交化率增加，q ，增加。 结温增加之后，载流子寿命增加，反向恢复时自j 相应上升，所以既 也会增加。 2 7 本章小结 本章主要对以后要用到的功率v d m o s 的关键参数作了简要介绍， 包括漏极电流、闽值电压、导通电阻、击穿电压、栅电荷和反向恢复 电荷的定义和相关等式。其中耐压和导通电阻是m o s 器件的最基本参 数。在优化设计时，这两个性能指标不能同时得到提高。本节的同的 就是在于简单介绍参数之间的关系，为进一步的优化考虑打下基础。 2 0 第二章从器件参数方面优化设计功率v d m o s f e t 体二极管 第三章从器件参数方面优化设计功率v d m o s f e t 体二极管 3 1 目前国际上优化体二极管的方法 目前国际上，优化功率v d m o s f e t 体二极管采取的主要方法有： 1 、少子寿命控制技术。寿命控制技术可以通过重会属掺杂和电子 辐照。有意识地选择某种合适地深能级重金属杂质扩散在半导体中， 增加复合中心，可以降低少子寿命；将制成的成品器件置于辐照场中， 用高能电子进行轰击，使半导体中的硅原子脱离正常格点位置而形成 氧空位、磷空位、双空位等，并相应的在硅禁带内形成各种深能级复合 中心，从而达到控制少予寿命的目的“”。 d i o 如c u r r 屯n t 8o ft h ef b - 。d i o d e nd u r l n e r # r e q o v o r y d d i l 。o d d 。e 2 l ，4 ；。：n ：。i2 ：l i 冰：善。o n 。t f 0 1 1 i ! l3 - 1 采用寿命控制技术后二极管反向恢复时的电流波形 2 、采用新结构。新结构的主要功能都是从减少少子的存储、加快 少子的复合抽取等方向考虑n 儿凹1 。基于此思路，美国仁斯利尔理工大 学( r p i ) 功率电子系统中心对耐压水平为5 0 0 v 的d m o s f e t 器件进行 了研究提出了一种改进的d m o s 结构。反向恢复电荷得到了减少。图3 2 给出了采用这种方案的d m o g 器件结构。 2 l 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 2 耐压5 0 0 v 的一种v d m o s 新结构 澎蔫兰 ，裂燃 f “舯删一 圈3 3v d m o s 体二二极管反向恢 复电流波形( 耐压5 0 0 v ) 3 、对器件参数进行优化。很多分立器件提供商都在已有器件的基 础上不断的进行改进和优化，以工艺线上较小的改变来得到更优的性 能。从而大幅提高产品的性价比。优化器件参数中，可以控制杂质分 稚和相应结深，如减薄基区厚度等。在p + 正极区、n 负极区域中州j 区采用突变结杂质分布，可使存贮电荷减少一半，使反向恢复时f 、h j 缩减 一半。减薄基区厚度这种方法可以减小少子贮存，也可以使衬底复合的 影响加大，有利于存贮时间的减小从而降低二极管的反向恢复时问。 基于以上方法，我们在优化研究v d m o s f e t 体二极管时主要从两个 方面考虑： 对器件参数进行优化；采用新的结构。 本章主要介绍了我们从器件参数方面优化功率v d m o s f e t 体二极 管的工作。为了降低成本，所以尽量减少对原器件工艺线、器件结构 的改动。从器件的浓度参数、结构参数入手进行优化。实施的步骤如 下： 用i s e 软件仿真原器件的基本参数、b 矿、r 。) 、q 。和q 。 以这些初始数掘为基本标准，调节器件参数，进行优化设计。 达到要求，得到优化后的新器件。 - _ 幡 _ _ 一 _ 摊 _ r 6 s c i c a te，d 第三章从器件参数方面优化设计功率v d m o s f e t 体二极管 3 2v d m o s f e t 基本参数的仿真电路及条件 基于上面的工作步骤，我们先确定器件的基本参数，但是器件基 本参数的测定需要一定的测试电路和条件，下面将介绍我们使用的仿 真电路及仿真条件。 3 2 1 阈值电压 实际工作中闽值电压有两种定义：一、使一定值的小电流流过漏 极所必需的最低栅极电压；二、在实际工作中很小时( 例如0 1 v ) ， 跨导最大之处，对应于传输曲线上相应点的切线与x 轴的交点，这个 值减去2 即是阈值电压值。 6 0 t e - s o u r c * v o l t a