（微电子学与固体电子学专业论文）用于buck电路的低压功率开关管的功耗研究.pdf

摘要 摘要 本文的目标是找出具有更低功耗的新型器件结构，以满足以手提电脑中c p u 电源电路对功率管的功率损耗提出的日益苛刻的要求。随着c p u 性能的迅速提 高，对c p u 电源用功率管的自身损耗提出了更高的要求。目前广泛使用的 m o s f e t 功率管由于自身结构的限制，发展潜力已经不大，国际上开始研究将 常断型j f e t 和常通型j f e t 用于该用途。本研究在常规沟槽栅j f e t 结构的基础 上，提出了创造性的改进，即把沟槽栅下的临近电极处的部分s i 层替换为绝缘 的且电容率仅为硅1 3 的s i 0 2 层，以此来减小栅沟p n 结的面积和介质的电容率 来有效的减小栅一漏电容c g d ，从而减小开关损耗。为了检验创新结构的效果， 本文对本研究提出的新结构以及现有国际上先进的常断，常通j f e t 结构，和沟 槽栅m o s f e t 结构进行了仿真研究与对比。利用i s e 仿真软件，研究了五种结 构器件的静态特性和开关特性。最后，计算出开关器件的功耗，进行了对比分析。 结果证明，在这些器件的典型工作电流南= 1 5 a 时，常通j f e t 尤其是埋氧常通 j f e t 相比m o s f e t 已经有了明显的功耗优势，并且随着开关频率越高，漏极电 流越低，j f e t 的功耗优势越明显。并且，常通型j f e t 优于常闭型j f e t ，新型 埋氧j f e t 优于常规无埋氧结构j f e t 。在如_ 4 a ，户2 m h z 时，常规常断j f e t 比m o s f e t 降低功耗31 1 ，新型埋氧常断j f e t 降低功耗3 4 6 ，常规常通 j f e t 降低功耗3 4 2 ，新型埋氧常通j f e t 降低功耗4 7 6 。 关键词：j f e t ，t r e n c hm o s f e t ，g - d c a p a c i t a n c e ( c g d ) ，p o w e r l o s s a b s t r a c t t h ea i mo ft l l i sp a p e ri st of i n dan e wd e v i c e ，w h i c hs h o u l dh a v er a n l e rl o w p o w e rl o s s ，t om e e tr i g o r o u sd e m a n d sr e q u i r e db yp o w e rd e v l c e su s e dm p o w e r s u p p l yc i r c u i to fc p u f o rl a p t o p s w i mt h ep e 怕m a n c ei m p r o v e m e n to fc p u ，p o w e r l o s sc o n 蹦n e db yp o w e rd e v i c e sb e c o m er e l a _ t i v eh i 曲a n dc a i ln o tb ei g i l o r e d p o w e r m o s f e t ，w h i c hi sn o ww i d e l yu s e di np o w e rs u p p l yc i r c u i t s ，w i l ll 扭v es m a l ls p a c e t od e v e l o pd u et os t m c t u r el i m i t a t i o n sp r o d u c e db yi t s e l t h e r e f o r e ，m o r ea n d m o r e p e o p l ei nt h ew o r l dp a yt h e i ra t t e n t i o n st on o r n l a l l y o f j f j f e ta 1 1 dn o 珊a 1 1 y o nj f e t an e ws t m c t u i eo fj f e ti sp r o p o s e db yu sb a s e do nt h es 1 口n j c n l r e0 fe x i s t l n gt i e n c h j f e t ，n a m e l yr e p l a c i n gp a r to f s iu n d e rt h eg a t et os i 0 2 ，w h i c hi si n s u l a t i n g 觚dh a s 1 3i n d u c t i v i t ya s1 0 wa ss i ，i no r d e rt or e d u c eg a t e - d r a i nc 印a c i t y ( b d ，a n d c o n s e q u e n t l y r e d u c es w i t c h i n g1 0 s s t h i s p 印e rs t u d y s t a t i ca i l ds w l t c h l n g c h a r a c t e r i s t i c sb ys i m u l a t i n gf i v ed i f j f e r e n td e v i c e s m o r m a l l y o 行j f e t ，n o 姗a l l y 。o 行 j f e tw i t hb o x ( b u r i e do x y g e n ) ，n o m a l l y o nj f e t ，n o n n a l l y - o nj f e tw i m b o x ， a 1 1 dt r e n c hm o s f e t f i n a l l y ，t h ep o 、v e rl o s s e so fd i 仃e r e n td e v i c e sa r ef i g u r e do u ta n d a r ec o m p a r e dw i me a c ho t h e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，n o n n a l l y - o nj f e t ， e s p e c i a l l y n o m a l l v o nj f e tw i t hb o x ，h a sc o n s i d e r a b l er e d u c eo fp o w e rl o s st h 瓶m o s f e t 、) r h e n 五) - 15 a ，肌dw i t ht h ea c c r e t i o no f t h ef r e q u e n c yo fs w i t c h i n ga 1 1 dd e c r e a s eo f 岛， t h el o w e rp o w e rl o s s e sc 眦b e 掣a i nb yj f e t f o re x 撇p l e ，w h e n 舻4 a ，产2 m h z ，t h e p o w e r l o s s e so fn o 傩a l l y o f fj f e t ，n o m l a l l y o f fj f e t w i t hb o x ，n o 珊a 1 1 y o nj f e t ， a n dn o m l a l l v o nj f e tw i mb o x a r er e d u c e d31 1 ，3 4 6 ，3 4 2 ，a 1 1 d4 7 6 t h a n t h a to fm o s f e t r e s p e c t i v e l y 。 k e yw o r d s ：j f e t ，骶n c hm o s f e t ，g dc a p a c i 诳c e ( q 。) ，p o w e r l o s s - i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或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了谢意。 签名： 堂颦至日期：垄! 左：3 二 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：叁亟皇导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 我国的发电量一直在急剧增长，自1 9 9 5 年超过日本以后依然势头强劲。现在， 我国的发电量仅次于美国，位居世界第二位。在2 0 0 3 年，亚洲太平洋地区的发电 量超过北美与欧洲等地区跃居世界首位，也缘于中国发电量的迅速增长。中国迅 速变为大量消耗能源的国家，与此同时，也出现电力严重不足的问题i l 】。因此， 节约电能成为我国可持续发展的一个至关重要环节，对于建设节约型社会更有十 分重要的意义。 电力电子学( p o 、e re 1 e c 仃0 n i c s ) 是研究电力电子理论、技术及其应用的一 门学科。其主导思想是控制和变换电能，以便合理而有效地利用能源。全球经过 电力电子处理的电能超过5 0 ，：即每小时大誓1 亿千瓦时。其原因就在于电力电 子技术能够提供各种二次电源，满足不同负载的需求，而且能有效节省能源。根 据2 0 0 1 年发电总量消费分布1 2 j ，保守估计，利用电力电子技术可节约电能约1 5 2 0 。按照这一比例，以2 0 0 3 年若全面采用电力电子技术全国总发电量1 9 万亿 千瓦时( 2 0 0 4 年中国电力行业年度报告) 计算，节电可达o 3 0 o 3 8 万亿千瓦时， 即大于1 5 倍全国总照明用电量；而三峡总设计年发电量为8 4 7 亿千瓦时，因此 2 0 0 3 年这一年所节约的电能就大于3 。5 个三峡年总发电量。总节约电量与总发电 量是成正比关系的，因而2 0 0 6 年全国总发电量已经达到2 8 3 万亿千瓦时( 2 0 0 7 年 中国电力行业年度报告) ，则利用功率半导体和电力电子技术节电量大于5 个三 峡年总发电量。由此可见，通过功率半导体实现的节电效果是非常惊人的，而且 在相同电量下，功率半导体设备的成本要远低于火力和水利发电的成本，仅为后 者的四分之一到三分之一。此外经电力冉甬教术处理的电能在发达国家占到 7 5 ；而在中国仅占3 0 ，因此这方面还有很大潜力可挖。 作为电力电子学基础的功率半导体器件，是半导体产业中一个重要组成部分 【3 8 】。随着半导体工艺技术的快速发展，其性能也在不断提高。相对于集成电路 工艺技术，作为分立器件的功率半导体器件对于工艺要求低很多，这也使得它在 过去的二十年里取得了更大的发展【9 】。其中，低压功率半导体器件是低压电力电 子技术特别是低压电源的关键部件；作为通信和计算机供电电源的主体，开关电 源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点。 随着半导体理论的发展和制造技术的进步，产品逐渐趋于高集成化，这要求 在芯片尺寸进一步缩小的情况下，晶体管的数量逐渐增加。为了减少功耗，就必 然要求供电电压进一步下降。低电压器件的成本比传统5 v 器件更低，性能更优， 加上多数封装之后的器件i o 管脚可以兼容5 v 3 3 vt t l 电平，可以直接使用在 原有系统中，所以现在各大半导体公司都将3 3 v ，2 5 v 等低电压集成电路作为推 i ! 塞三些奎茎三茎呈圭茎堡耋耋 广重点如高端的d s p p l d ，f p g a 产品己广泛采用33 v ，25 v 甚至i8 v ，15 v 供 电】。而i n 把l 的下一代c p u 电源也必须要求能够将1 2 v 主电源精确转换成 08 3 7 5 v 和l6v 。本文研究的耐压2 0 v 一3 0 v 的低压半导体开关器件是台式电 脑、笔记本电脑和网络存储设备等中c p u 电源用降压电路的主要功率开关。由图 1 1 【1 0 ”看出，伴随供给c p u 电压的降低，所需的电流在急剧的增加。供电电压 降低的同时，集成电路所需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。例 如对于1 w 1 0 0 a 的模块电源，有效负载相当于o0 l q ，传统技术难以胜任如此高 难度的设计要求。在1 0 觚负载的情况下，通往负载路径上的每m q 电阻都会使 效率下降1 0 ，印制电路板的导线电阻、电感器的串联电阻、开关晶体管的导通 电阻及管芯接线等对效率都有影响。因此，各大半导体公司纷纷致力开发低阻器 件以提高效率。另外，伴随着供电电压下降的是效率的提高。对于下一代c p u 电 源来说，应该确保其中d c ，d c 子系统的效率在最坏情况下至少达到9 0 j ，这 对下一代c p u 电源提出了很高的要求使新一代的开关电源向着高频小型化、 高效率、高可靠性的方向发展。 ml - ，* mm* 图1 - lc p u 电压降和电流增长的示例“”1 低压供电必然要求具有低压输出的供电电源，对于电源设计者来说，设计功 耗小、成本低的低压电源面临着很多挑战。这种挑战主要体现在用于电源电路的 功率器件上。比如现在正在研究中的1 伏甚至05 伏的电源，需要迅速通过5 0 或 1 0 0 安培这样大的电流【】“，而同时功率损耗不能太大，这种要求对半导体器件是 十分苛刻的。因此，研究并找到这种高性能的功率器件是十分必要的。 新一代的功率开关晶体管需要具有以下几个特点： ( 1 ) 更大的导通电流、更高的耐压及更高的功率； ( 2 ) 更低的通态电阻和通态压降以降低通态功耗： ( 3 ) 更快的开关速度以降低开关损耗； ( 4 ) 驱动简单，易于控制； ( 5 ) 高稳定性、高可靠性、低成本。 实际上，这些要求也决定了当今功率半导体器件研究和发展的方向 1 2 国内外发展现状 二十世纪七十年代，功率m o s f e t ( m e t a i o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l de 丘t 1 忉l s i s t o r ) 登上了历史舞台，并以其优越的电特性( 输入阻抗高、关断时间短、 温度性能好等等) 在许多应用领域取代了传统的双极型晶体管( b j t ) 。现在c p u 电源电路国内外主要使用m o s p e t 作为开关功率晶体管。m o s f e t 具有优越的频 率特性，不仅开关速度快( m o s f e t 是单极性多子导电器件，没有少数载流子的 复合，因而显著的碱小了开关时间) ，很容易便可达到l m h z 的开关工作频率。而 且园为没有二次击穿、电路结构简单、种类逐渐增多、小型化等因素，价格也越 来越便宜【l ，于是m o s f e t 受到世人青睐。其早期的基本结构如图1 2 所示。由 图可知其通态电阻岛s ( o 伸主要受沟遭电阻置c h 、j f e t 电阻毋和漂移层电阻r d 的影响。漂移层电阻r d 是由外延层电阻率决定的，因此m 0 s f e t 的矗d s 0 n 1 与器件 耐压有一个大概24 到26 次方的关系1 9 】。即嚣件的耐压提高时，其一d s ( o m 必然有 一个十分迅速的上升。 嘉癣鹫蘸麓攀雾融 i ，| 、。、 图卜2 表面栅功率邶6 f e r 结构示意图 早期的研究集中于功率m 0 s f e t 的通态功耗较高的问题，主要解决的办法就 是减小通态电阻月d s 在保证击穿电压蚝的前提下，为了获得较大的导通电流， 因而出现了多种降低r d s f 0 的新型m o s f e t ，包括c o o l m o s f e t ，r e s u r f l d m o s f e t ，f l i m o s f e t 等。目前，在低压领域应用最普遍的结构是槽栅 m 0 s f e t 。其结构如图1 3 所示。一方面为了进一步降低单位芯片面积和通态电 阻置o s f 洲) ，而采用越来越精细的沟槽栅结构，另一方面也为了通过减小栅漏电容 c o d 来提高开关速度，而加厚沟槽底部氧化层的厚度。 目前，沟槽的尺寸已是亚微米级，工艺也相当复杂进步提高性能的潜力 已经不太旧，因而国际上的研究方向开始转向其他器件。早在1 9 5 2 年，s h o 制e y 就发表论文阐明过鲒型场效应晶体管，当时命名为单极结型场效应晶体管【l q 。 后来日本的西泽润一试制成功，命名为静电感应晶体管s i t ”，也就是今天的结 i l 星三些銮茎圭茎筌圭茎堡耋圣 型场效应晶体管。其后又提出双极模式工作的b s i t 口q ，也就是双极模式的结型 场效应晶体管其基本结构见图1 4 。 _ r n + 聿 _ n + 轴h 辜 n - n +聿r s 图卜3 槽栅功率m 。s f e t 结构示意图 近年来国际上对此方面也曾多有研究，按照初步的理论分析，在s 加正偏 使n 沟j f e t 处于导通状态时，栅p n 结正向注入少于使沟道中高度电导调制，而且 沟道中电流通道上没有p n 结( p i l 结导通时有附加结电压) ，j f e t 的通态压降看 起来应低于m o s f e t 和b j t 。但开关过程中涉及少数载流子的积累和抽取，开关 特性与m 0 s f e t 相比似乎应是弱点，难以判定。几年前美国l 0 v o r b h 公司( 现已 改名为o s p e e d 公司) 声称其生产出基于j f e t 技术代替m o s f e t 的功率开关器件 产品高频工作时总功耗略低于m 0 s f e t 产品川，但在3 0 0 k i z 以上电流2 0 a 工作 时两者的温升都超过1 0 0 ，显然高频性能难以满足c p u 发展的要求。所以，本 研究课题准备在对常规j f e t ( 包括常断j f e t 和常通j f e l ) ，栅极下埋氧j f e t ( 简称理氧j f e t ) 和m o s f e t 的功耗进行公平对比( 感性负载的条件下) ，并探讨 在不同开关频率和不同漏极电流下的功耗对比。这样的探索和分析为将来用 j f e t 代替m 0 s f e 俳为c p u 电源电路的部分开器件奠定了基础。 图1 4 槽栅j f e t 结构示意图 第l 章绪论 1 3 本课题研究内容 m o s f e t 本来以高频性能好但通态压降大为特点。但是为降低通态压降而采 用密集精细的沟槽栅结构之后，其c g s ，c b d 随栅面积增加而几乎成正比增大，很 大程度上丧失了高频性能好的特点。理论上，j f e t 以通态压降低为特点，高频 性能令人担心，但实际情况难以判断，这个结论是否成立要到课题的后面给出明 确答案。因此，研究内容是针对j f e t 和典型m o s f e t 在不同工作频率和不同漏 极电流下功耗的对比问题。这其中包括本课题提出的一种创新设计，将常规结构 j f e t 器件栅极下面的硅层的一部分替换成s i 0 2 ，使c b d 成为硅p n 结电容与s i 0 2 电容串联，因s i 0 2 的电容率仅为s i 的1 3 ，这样可以大幅度减小岛d ；同时消除沟 槽底部栅电极下面的p n 结，减小啪偏时的空穴注入量，这样可以大幅度减小 栅正偏时积累的栅电荷，这些都有利于提高开关速度，降低开关损耗。结构示意 图见图1 5 。 s i 0 2金属砸s 逸 溉鬻 ) 幽船蚴 i 7l l n 。船。 图卜5 本研究提出的新型埋氧槽栅j f e t 结构不慈图 因此，本课题旨在通过理论研究和大量仿真工作，着力解决常规j f e t ，埋 氧胍t 和沟槽栅m o s f e t 之间的功耗对比。之前虽然有相关论文讨论了常断型 j f e t 与沟槽删m o s f e t 的功耗对比，但是其存在很多不足。其一是没有讨论常 通型j f e t 的功耗对比，其二是在阻性负载下计算功耗，而阻性负载的功耗会比 感性负载低很多( 大约只有感性负载功耗的l 4 ，因此并不能体现用j f e t 代替 m o s f e t 作控制管的优势) 。本文还仿真找出c g d i 亡g s 随工作电压的变化来解释 本研究获得的功耗对比结果。在物理特性仿真的基础上，还将针对埋氧器件进行 工艺仿真以及实际工艺制造，以验证理论分析和器件仿真的准确性，这部分工作 属于本课题的后续工作，不在本文讨论之列，故不赘述。 1 4 本章小结 本章首先对功率开关器件的应用背景，应用现状以及今后发展的客观需要进 北京工业大学工学硕士学位论文 行了介绍；在此基础上对于目前主要用于笔记本电脑c p u 中的开关器件的发展状 况进行了说明，期间针对普遍应用的沟槽栅m o s f e t 和j f e t 器件的各种优缺点 进行了比较，并提出了本课题的研究内容。 第2 章j f e t 器件结构及工作原理 第2 章j f e t 器件结构及工作原理 2 1 场效应晶体管简介 场效应晶体管包括几种不同的种类，其中主要的种类在五十到六十年代已经 被提出，m o s f e t 从六十年代起开始被广泛应用于集成电路中。七十年代之前， 晶体管研究主要集中于双极型晶体管，在双极型晶体管得到比较充分的发展，其 性能进一步提高已感到十分困难的时候，人们才开始把进一步提高晶体管性能的 希望寄托于场效应晶体管。近年来，国外集中研究场效应晶体管，在工作频率， 输出功率，开关速度等许多方面达到了前所未有的水平。目前，场效应晶体管可 细分为几十种，通过适当分类可以对其有一个总体了解，并对其内在联系以及发 展规律有较清晰的认识，进而可以加深对于本课题所研究器件的理解【2 2 1 。 按工作模式，场效应晶体管可分为两类一双极模式和单极模式。双极模式是 指栅极加正电压，通过栅电流来驱动器件。单极模式是栅极的负电压通过电场的 作用调制漏源间沟道电流，依照其调制沟道电流的方式不同可以将场效应晶体管 分成以下三类：栅电压调制沟道导电截面积；栅电压调制它所感应的沟道导电电 荷量；栅电压调制沟道中势垒高度。 第一类，栅电压通过调制沟道导电截面积改变沟道电导，从而调制漏源电流， 其中包括结型场效应晶体管，金属半导体场效应晶体管和埋沟绝缘栅场效应晶 体管。他们都是依靠栅偏压来改变栅结0 n 结，肖特基结或者m o s 结) 耗尽层宽 度，从而调制残留的中性导电沟道的截面积。这里主要是指现在大量应用的耗尽 型( 常通型) 器件。对增强型( 常断型) 器件，其工作原理虽然目前也用同耗尽 型一样道理来分析，但实际情况更复杂一些。 第二类，栅电压通过改变沟道巾的感应电荷量来调制漏源电流，其中包括表 面反型层绝缘栅场效应晶体管和薄膜晶体管。这类器件的栅结构是一个m i s 电 容，栅电压改变时，通过电容耦合，改变了半导体中的感应电荷量，这使沟道电 导发生变化，沟道电流因之变化。 第三类，栅电压通过改变沟道中势垒高度来调制漏源电流，其中包括静电感 应晶体管( s i t ) ，可透基区晶体管( p b t ) 和穿通型晶体管。这些晶体管的工作原理 相同，并无明确区分标准只是由；于最初提出者的观察问题的出发点不同，给予 了不同的命名。再者，这一类器件的沟道中，存在着多数载流子沿沟道运动的势 垒，栅电压能够改变势垒高度，从而改变通过势垒的电流。上述第一二类器件的 工作原理都是栅电压调制沟道电导，从而调制沟道电流。第三类器件是栅电压改 变势垒高度来调制沟道电流。 。 本文涉及到的场效应晶体管包括m o s f e t ( m o s f e t 应用比较普遍，其工作 原理也为大家所熟知，在本文不再赘述) 和结型场效应晶体管胙e t 。j f e t 根据 北京工业大学工学硕士学位论文 沟道长度，其特性可分为类五极管特性和类三极管特性。当( 代表了沟道的 长宽比) 减小时类五极管特性逐渐向类三极管特性变化。按零栅压时沟道是否已 经夹断可分为常通型和常断型场效应晶体管。按工艺结构还可以分为表面栅，埋 氧栅，沟槽栅。 本文所讲的结型场效应晶体管腰e t 是工作在双极模式下，具有类三极管特 性的常通和常断型槽栅j f e t ( 简称为常规常通j f e t 和常规常断j f e t ) 。本文所 提出的栅极下埋氧j f e t 也是工作在双极模式下，具有类三极管特性的常通和常 断型槽栅j f e t ( 简称为埋氧常通j f e t 和埋氧常断j f e t ) 下面，本章就有关腰e t 的结构以及基本工作原理进行详细介绍，这有助于 进一步理解仿真中得到的特性和选择对指标进行改进时的方法，是后续文章的重 要基础。 2 2 腰e t 器件典型结构 功率j f e t 采用垂直沟道的纵向结构，即在硅片的相对表面上分别设置源 栅极和漏极。对源栅区来说，将有更多的有效面积供沟道排列，有利于降低器件的 导通电阻和增加电流容量。对漏区来说，不仅可以方便地设置高阻漏漂移区来实 现高的耐压，而且可以通过管座大大改善热性能。另外，便于设计者在芯片边缘 采用各种方式的结终端技术，以此来提高器件的击穿电压【2 3 1 。下面简单介绍功 率j f e t 的三种基本结构。 2 2 1 表面栅结构 图2 1 1 2 4 j 是表面栅结构。源栅区及其电极呈条状形交叉对插。由于在栅区之 间要为源区空出一个较大的间隔，所以形成的沟道宽而短。但是，制造工艺简单。 其制造过程大致如下：( 1 ) 在高阻( 1 1 0 1 4 c m 3 ) n - 夕i 、延层上依次序生长s i 0 2 膜( 约l o o o a ) 、s i 3 n 4 膜，形成s i 3 n 4 s i 0 2 s i 三层结构；( 2 ) 进行局部刻蚀，刻 出栅扩散窗孔；( 3 ) 栅区p + 扩散；( 4 ) 腐蚀s i 0 2 膜，当栅区表面腐蚀干净以后 再继续腐蚀，依靠侧向钻蚀去掉s i 3 n 4 保护膜下的s i 0 2 层的两侧部分，只留中间 约2 p m 宽的s i 0 2 膜；( 5 ) 栅驱入扩散并同时生长厚氧化层，由s i 3 n 4 膜的保护， 在其下面中间的约2 m 宽的s i 0 2 层的厚度不再增加，其余部分非常厚：( 6 ) 等 离子腐蚀去除s i 3 n 4 ，再经化学腐蚀去掉1 0 0 0 2 0 0 0 a 的s i 0 2 膜，于是得到2 “m 左右宽的氧化层窗孔，此窗孔恰好位于栅p + 扩散区间隔处；( 7 ) 淀积含磷多晶 硅；( 8 ) i l + 杂质驱入；( 9 ) 刻栅引线孔，蒸发金属，光刻等以制造电极，关键工 艺是严格控制p + 区扩散结深，使其侧向扩散后的p + 区间距留下2 “m 左右，以满 足零栅压下中性沟道夹断的要求。 第2 章j f e t 器件结构及工作原理 表面栅结构可以在栅区长条的表面加上金属化电极，以减小栅电阻。并且可 以通过s i 3 n 4 辅助加工过程把源区欧姆接触的面积制造得很小，使它与栅区不相 交，以避免因栅与源间交叠产生p + n + 结电容。栅电阻与栅源电容的减小使输入回 路时间常数减小，有利于提高工作频率和开关速度。适于做微波功率管和高速开 关管。 图2 1 表面栅垂直沟道场效应晶体管结构示意图【2 4 】 ( a ) 剖面图( b ) p + 区平面图 2 2 2 隐埋栅结构 隐埋栅结构j f e t 是结型场效应晶体管中的一个重要类型。图2 2 1 2 5 j 为其结 构的一种。在n 型外延层上用氧化层保护沟道区( 本结构中的沟道截面为圆形， 也可为条形) ，进行大面积p 型杂质扩散形成栅区。栅区是联通的。然后再做第 二次n 型外延层形成源区。整个上表面都是源区。衬底本身是漏区。最后作一次 边缘p + 扩散，把栅区引到表面上来，以备作金属化电极( 也可以腐蚀台面，把 边缘的p 型栅区暴露出来，直接在侧面作金属化电极) 。这种器件制造工艺极为 简单。但其优点很多。通过公共源、漏、栅区自然形成多沟道并联( 不需要通过 布线并联) ，因而很容易获得大功率器件。另外，沟道长度等于栅扩散的深度加 上第二次外延时栅区杂质向上扩散的距离，沟道长度可以做的较短，而不像一般 结构中那样受光刻尺寸的限制。所以，这种结构容易实现高频率工作。再加上结 型场效应晶体管固有的低失真、低噪声、温度特性好等优点，使得这样结构的 j f e t 在功率器件中占有重要的地位。但由于栅电容较大( 栅p n 结面积大) ，栅 电阻也较大( 隐埋的栅电极网格为p 型杂质扩散区) ，因而在微波波段的发展受 到限制。表面栅结构( 栅网格上可以附加金属化层) 可以减小栅电阻，在一定程 度上能够克服这个缺点。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 2 隐埋栅垂直沟道口色t 结构示意图【2 5 】 2 2 3 沟槽栅结构 沟槽栅垂直沟道场效应晶体管的一种典型结构见图2 3 。将常断j f e t 做成 沟槽栅型，可以增加沟道密度从而减小通态电阻。在低掺杂的n - 区挖浅槽，用离 子注入的方法形成p + 区，槽底用t i s i 2 形成接触，栅极由槽底引出。同时通过采 用离子注入工艺可以精确地控制p + 区形状，使沟道长度减小从而达到降低通态 电阻的目的。本文正是研究沟槽栅场效应晶体管在不同漏极电流和开关频率下所 得到的常通型j f e t 和常断型j f e t 的功耗。 图2 3 沟槽栅垂直沟道场效应晶体管结构示意图 2 3 具有类五极管特性j f e t 的工作原理 1 9 5 2 年肖克莱提出的结型场效应晶体管的理论奠定了该种器件的理论基 础。根据这一理论所建立的j f e t 模型称作肖克莱模型。虽然在某些方面具有 一定的局限性，但它是以后发展起来的各种结型场效应晶体管理论的基础。 第2 章j f e t 器件结构及工作原理 一般的结型场效应晶体管是耗尽型( 常通型) 的，其典型的漏源电压和漏极 电流的关系见图2 4 ( 简称输出伏安特性) 。下面以n 型沟道器件为例，分析形成 这种特性的物理过程。参看图2 5 。本文的各电极电压，除特殊说明外，都是相 对源极而言的。 ( 1 ) = 0 很小( 图2 - 5 ( a ) ) 这时栅p n 结耗尽层很窄，沟道( 指未耗尽部分的沟道，有时称中性沟道) 深度很宽。由于漏源间加有外电压，沟道中自源向漏电位逐渐升高，耗尽层 宽度应逐渐变大，沟道深度逐渐减小。但由于很小，栅p n 结耗尽层的宽度远 较沟道宽度2 b 小得多。因此，沟道截面随距离的变化，以及改变引起的沟道 截面变化都可忽略不计。这时，沟道区近似是一个均匀截面的电阻，南一关系 近似为线性关系。输出伏安特性中的这个区域称线性区，如图中a 点附近的 情况。 ( 2 ) = o 较大( 图2 5 ( b ) ) 由于较大，沿沟道长度方向上沟道截 面变化很大。沟道中近漏端的沟道截面变得很小，因而变化引起沟道截面的 变化相对比较大。这样，增加将引起沟道截面显著变小，沟道电阻显著变大， 如一关系偏离线性关系，如图中b 点附近的情况。这个区域是线性区与饱 和区之间的区域，可称为过渡区。：； ( 3 ) = 0 所定a l ( 图2 5 ( c ) ) 当增大到一定程度时，沟道两侧的栅耗尽层在沟道末端( 近漏端) 相遇， 使沟道在这里被夹断。这时的漏源电压称为饱和电压，以魄砒表示。当 砒时，过剩电压( 咖) 由夹断区承担，使夹断区的长度增加。而中性沟 道( 源区与夹断区之间的区域) 两端间的电压基本维持为蛳。虽然的增加 使夹断区长度增加的同时必然引起中性沟道区缩短，但对长沟道器件来说，缩短 量与沟道长度相比可以忽略不计。也就是说沟道电导将基本不变。沟道电压和沟 道电导基本不变意味着沟道电流基本不变。如图中c 点附近的情况。这个区 域称为电流饱和区。与此相反，瞪。砒的区域，称为非饱和区，包括线性区和 过渡区。 ； ( 4 ) 搿o ( 图2 5 ( c ) ) 当 o 时( n 沟耗尽型j f e t 一般不工作于除o 的情况) ，栅结耗尽层较 = 0 时更宽，沟道电阻更大( 同样时) 。因此，同样下沟道电流较小。 而且越负，岛越小。从这个意义上说，可以把j f e t 看作是由厚度可以变化 的半导体导电沟道构成，其厚度可依靠改变栅结耗尽层上的反偏压，从而改变耗 尽层宽度来调制【2 7 1 。在输出伏安特性曲线族中， o 时的如一特性曲线落在 = o 时的下面，并依i i 大小排列。如图2 5 ( c ) 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( a ) ( b ) o ) 图2 - 4n 沟耗尽型结型场效应晶体管输出伏安特性( 共源接法) 垴 d d o o 矿d ， 。，o ， v 【；# 毽 ，d 图2 5n 沟耗尽型结型场效应晶体管工作过程分析( 肖克莱模型) ( a ) 线性区( v d o 时的电子势能分布 ( 心 图2 7 类三极管常断j f e t 沟道中电子势能的二维分布示意1 2 刿 ( a ) 二维分布情况示意“一( b ) 垂直于沟道长度方向的电子势能分布 ) ， 哆 _ “ 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 6 中给出的只是沿沟道中心线的电子势能分布。实际上常断腰e t 沟道 中电子势能分布是二维的。图2 7 ( a ) 是其二维变化的示意图。由图看出，势垒高 度界于零与栅源电位差之间( 绝对值) 。两栅距离越小，圪越接近于+ 圪 z 9 ；。 ( 2 1 ) 因为磊。是杂质浓度d 的函数，因此式( 2 1 ) 决定了一个一定的d 与a 的 关系。若把栅p n 结的耗尽层扩展用一维单边突变结来计算，则可以计算出呈现 常断型的条件是 口 z 9 ；。 ( 2 1 ) 因为磊。是杂质浓度d 的函数，因此式( 2 1 ) 决定了一个一定的d 与a 的 关系。若把栅p n 结的耗尽层扩展用一维单边突变结来计算，则可以计算出呈现 常断型的条件是 口 u o ，故电感l 的电流不断增长，二极管v d 处于断态。 ，】也时段：电路处于开关状态2 ，开关s 于f l 时刻关断，二极管v d 导通， 电感通过v d 续流，电感电流不断减小。直到如时刻开关s 再次开通，下一个 开关周期开始。 电路的输出电压u o 与输入电压矾的比值是开关电路重要的数学关系，若要 北京工业大学工学硕士学位论文 推导这一比值需要利用稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内平均值为零 的基本原理。根据这一原理，在电感电流连续的条件下，可以推导出降压型电路 输入输出电压比与开关通断时间的占空比的关系，由 仇= ( ( 矾一u o ) 如n 一乩。f f ) 丁 ( 3 - 1 ) 丁= 如n + f o f f ( 3 2 ) 仇= o( 3 2 ) 式中u l 为电感两端电压在一个开关周期内的平均值，t 为开关周期，t o n 和t 晴 分别是开关处于通态和关断态的时间。最后可得 【“u = d ( 3 - 4 ) 式中d 为占空比，定义为开关导通时间与开关周期的比，即d = t o n t 由 于d 介于0 到l 之间，所以降压型的输出电压不可能高于其输入电压，并且是 与输入电压极性相同的。 ( 2 ) 电感电流断续工作模式当处于断续工作方式时，该电路在1 个开关 周期内经历3 个开关状态，如图3 5 所示，波形图如图3 6 所示。 u 0 i ：三王制 ： 货；a 臣? ：皆 ? 雯戥0 、卜；】 ：b ) ： 卜，。：| 一 孓j “j 6 兰秘l o 0 ，：! _：? ；：_ ；，；li ，l i 、 - _ _ _ - _ - j c1 ；，一一 一， 图3 5b u c k 电路电流断续时工作状态 a ) 开关状态l ( s 通) b ) 开关状态2 ( s 断) c ) 开关状态3 ( 电感电流为零) 第3 章b u c k 电路原理及功耗分析 一 一 ，帆 一一 ，o 仃 一 1 了： ( ，i 坫一 ，、 了 。? 。i 。j ? c ? 0 。7 l 2 ， f ： j 一， ji 。 ： i 一一 ， n * 二 f o _ 彳l 时段： 电路处于开关状态1 ，开关s 于f o 时刻开通，并保持通态直到 n 时刻，在这一阶段，由于u 乩，故电感电流不断增长。二极管v d 处于断态。 f 1 吨时段： 电路处于开关状态2 ，开关s 于 时刻关断，二极管v d 导通， 电感通过v d 续流，电感电流不断减小。 f 2 咱时段：电路处于开关状态3 ，f 2 时刻电感电流减小到零，二极管v d 关 断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到f 3 时刻开关s 再次开 通，下一个开关周期开始。 至于电流断续条件下的输入与输出之间的比例，由于略为繁琐，而本课题并 不涉及，故在此不作赘述，为与上文对应，仅列出结果： w u = ( l + 4 k 一1 ) 2 k ，k = 牡( d 2 t s 尺) ，( 其中殆为一个导通周期， r 为负载电阻，三为电感) f 3 5 ) 这说明，电流断续时电压占空比d 与负载尺相关，也与电路参数三和乃相 关。本课题中采用的是b u c k 电路的电流连续条件下的工作模式，连通占空比d 设为0 1 ，则w 昨o 1 。图3 7 就是c p u 电源电路中的同步b u c k 变换器的简要 示意图，用q 1 ，q 2 代替了开关s 和二极管v d 。 其中q 1 为控制管，q 2 为同步管。在为c p u 供电的单相同步降压型b u c k 电路中，作为控制管的q 1 只是在很短的时间内导通，所以其开关功耗远大于导 通功耗，这就要求使用具有较低栅极电荷和栅漏电容的器件作为q 1 管来提高开 关速度；而作为同步管的q 2 的作用是在q l 关断期间为电感续流，由于它在大 部分时间为导通状态，所以其导通功耗远高于开关功耗，因而需要具有低通态电 阻的器件来作为q 2 管。 圈3 7 使用m o s f e t 作同步管和控制管的b u c k 电路 3 3 开关电路的功耗分析 以上对于b l l c k 电路的结构以及工作模式进行了说明。目前市场对于电脑中 c p u 的电源中的开关电路提出了更高的要求，需要其具备更高更快的频率，以 及更低的功耗。本课题的研究内容就是通过改进电路中的开关管的结构，提高其 开关速度，降低开关损耗。所以在了解开关电路的结构和工作原理的基础上，需 要进一步对于电路中各部分的功耗分布以及功耗计算有清晰的理解。 用m o s f e t 作同步管和控制管所组成的b u c k 电路，其电路总功耗主要是有 以下几部分所组成，见图3 8 【 4 j ，( 其中h 。= 1 2 v ，f q v ，产3 0 0 k 埘 可见，在b u c k 电路中，开关管q 1 和q 2 的功率损耗合计约占总功耗的一 半以上，其中，控制管更是占三分之一以上，所以况如果能降低o l 的功耗，那 么对于总功耗的降低将带来十分重要的影响。 嗡镬 3 0 l 属崔 图3 8b u c k 电路功耗构成，v m = 1 2 v v o u t ( 2 v ，f = 3 0 0 k h z b u c k 电路中对于q 1 和q 2 管的要求是不同的。本课题研究的是控制管q 1 的功耗及其优化，所以以功率管q 1 为例，其功率损耗主要由以下几部分组成。 第3 章b u c k 电路原理及功耗分析 p = p 啡她e + 氏m 0 n + 尸t 哪o p d r i v i n g d y n 锄i c 州) d f i v i n g s t 砒i c ， = ( 易。t a t c ) + ( 厂兰沿易：衍) + ( 厂羔沿盔) + ( 厂羔沿所珂冶出+ 厂：沿n 玎磨：出) + ( m n 坦如n 劬吐e ) ( 3 6 ) 其中 p o m t a l c ：开关管导通时间内的漏源功率损耗 凡m 枷：开关管开启时间内的漏源功率损耗 尸_ 咖0 f r ：开关管关断时间内的漏源功率损耗 p d f i v i n gd y n 锄i 。：器件开关时驱动电路造成的栅源功率损耗 v i l l g 。协t i 。：器件开通后驱动电路造成的栅源功率损耗 如：开关漏电流 r d s ：漏源导通电阻 ：开关时期端电压 ：通态时器件两端的电压降 m n ：栅极驱动电压 麾：栅极电流 工作频率( 1 厂r ) 上述功耗是在1 s 内计算的，且占空比d = = o 1 ，也就是说器件处于通态的时 间f 通态= o 1 s 。对于通态功耗，主要与rd s 有关。器件开启进入导通阶段后， 漏电流和漏电压呈现稳态，这时可以通过下式进行计算。 r d s ( 0 n ) = p 砀( 3 - 7 ) 对于驱动功耗j f e t 与m o s f e t 的计算有所不同。首先m o s f e t 在开通过 后器件并无栅极电流所以并不存在静态驱动功耗，同时以m o s f e t 栅极充放电 时不涉及少子的复合，栅极电荷等于积累在栅电容两端的电荷。由电荷定义， q g = 尾t ：麾为栅极充放电电流，t 为开关时间。或者对于非恒定的麾可以 写成3 8 式，所以m o s f e t 其动态驱动功耗也可以用q g 的相关表达式来表示。 q g = r 西( 3 - 8 7 而对于j f e t 器件，栅极电荷要分成两部分考虑，一部分用于积累，记为 q g a ；另一部分用于复合，记为q g r 。本研究认为，两部分均能够对开关过程产 生影响，并且无法精确判断哪部分电荷是用于动态驱动，哪部分电荷适用于静态 驱动，所以为了比较公平的与m o s f e t 进行比较，本研究对腰e t 器件求解驱 动功耗时是使用公式3 6 式