VDmos详细介绍.doc

POWER MOSFETS平面VDMOS的剖面图， 一般是60V以上的器件，采用1.5um以上的工艺，所以国内以前做IC的厂家都能做。沟槽VDMOS的剖面图， 一般是60V以下的器件，采用0.5um以下的工艺，所以国内高档的IC厂家才能做。所以加工线的条件非常重要，如加工的线条、刻槽技术、工艺线的环境。加工线的条件不太重要，所以现在很多的老的5寸、6寸线在做。但对材料要求很高,是高阻厚外延材料。加工线的条件及材料要求都很高。只有国外几家公司在做，如IR、INFINEON。随着加工技术及设计技术的提高器件的特性不断地改进（以导通电阻为列）。平面IGBT的剖面图， 一般是400V以上的器件，采用2um以上的工艺，所以国内以前做IC的厂家都能做，但设计及材料要求都很高。VDMOS和双极管特性比较特性VDMOS双极管电流能力小大功率处理能力小大击穿电压1000V以下可到3000V开关速度快慢二次击穿无有温度特性负温特性，好，可多个器件串并联正温特性，不好，多个器件不好串并联驱动方式电压驱动，驱动电路简单电流驱动，驱动电路复杂和IC的兼容性好差工艺要求高低制造成本高低VDMOS的击穿电压：BVDSS、VBRVDMOS的击穿电压决定于：1、外延材料；浓度及厚度2、体单胞间距3、终端设计4、表面态等工艺控制VDMOS的导通电阻：RDS（ON）低压（200V以下VDMOS的导通电阻（由大到小排列）1、 单胞密度 （沟道电阻）2、 表面浓度（积累层电阻）3、 外延材料；浓度及厚度（耐压区电阻）4、 设计（颈部电阻）5、 封装（有时会到主要地位）6、 表面金属化（表面接触电阻）高压200V以上VDMOS的导通电阻（由大到小排列）1、 外延材料；浓度及厚度（耐压区电阻）2、 单胞密度 （沟道电阻）3、 设计（颈部电阻）4、 表面浓度（积累层电阻）5、 表面金属化（表面接触电阻）6、 封装VDMOS的跨导：Gfs1、 栅、源电压对漏电流的控制能力：在一定的漏电压下，漏电流除以栅、源电压（漏电流为最大允许漏流的一半）2、 处决于沟道密度及沟道宽度（从80年到今60倍）VDMOS的域值电压：Vth为使沟道反型所需最小栅、源电压值。一般高压器件为24V低压器件为13V寄生二极管的正向压降： 一般在1V到1。6V之间。高压的器件要大。（100V为界）。最大耗散功率：结温到最大允许结温时的功率（一般为150C）VDMOS的等效电路：VDMOS的开关特性：VDMOS的寄生三极管的限制：自从IR(INTERNATIONAL RECTIFIED国际整流器公司)发明了第一个MOSFET（METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR金属氧化物半导体场效应管）以来，MOSFET的性能的不断提高，其在各种应用领域得以大量使用；鉴于MOSFET的各种优良特性和良好的前景，各大电子元器件厂家纷纷投入大的人力研发自己的专利技术。IR的Direct FET技术，Infineon Cool MOS的S-FET技术,AATI的TrenchDMOS；伴随之而来的专利的封装技术。研发的重点依然在Rds(ON)的降低，栅极总电荷Qg的减少等。 而双极性晶体管“似乎”被人们越来越“看不起”，被很多人看作是“旧技术”；甚至有人断言：不久的将来，MOSFET将完全取代BIPOLAR TRANSISTOR，尤其当需要高速度，高效率的时候。这种观点是站不住脚的；首先，我们可以理解新技术的产生对业界产生的推动以及带来新的设计线路和设计方法；但是没有一种元器件、一种设计方法可以满足所有的应用。其次，需要看到双极性晶体管也在向更高性能不断发展，在某些领域同样有着不可替代的作用。比如ZETEX，不断的推出新的高性能的BIPOLAR TRANSISTOR，每一种元器件和技术都有它的优点和缺点,都有它的应用领域，本文我们将从几个大家关心的方面进行讨论。 1击穿电压： 1)对于MOSFET来说， BVDSS（漏源击穿电压）在400V1000V而言，到80年代末，已经基本发展到极至，目前已经缺乏技术飞跃的可能性，Rds(ON)的改善，往往仅靠早期的大封装（诸如TO-220,D-Pack等）增大硅晶片的面积来达到；我们知道PLANER技术的缺点就是Rds(ON)的迅速上升，Rds(ON)BV2.6，功耗增大，这成为MOSFET向高压发展的瓶颈。 2)而对双极性晶体管来说，由于采用的是少子的PLANER导电，相对MOSFET来说，做到高压容易多了。尤其是作为饱和开关的时候，集电极区阻抗的电导调制效应，极大的降低了Rce(sat),而MOSFET没有类似的电导调制效应。Rce(sat)BV2 （图1） 图1 ZETEX 3rd 晶体管的Rce(on) vs BV 例： ZETEX的FMMT459，Bvces=450V,Ic=150mA,Rce(sat)typ=1.4ohm,SOT-23封装；而同样的参数的MOSFET，需要DPAK这样的大的封装。下图（图2）是20V击穿电压条件下，晶体管和MOSFET的导通电阻比较： 图2 20V器件的导通电阻比较 3) 另一个值得关注的问题是双极性晶体管击穿电压的双向性;而MOSFET的击穿电压是单向的，这主要是由于体二极管造成的；对MOSFET来说，如果存在反压击穿问题，就需要并联反向二极管或者用两个MOSFET形成MOSFET对，而这当然会引起导通损耗增大。 2大电流： 1）对MOSFET来说，高压MOS由于受到Rds(ON)的影响，目前作大电流受到一定的限制；而在低压MOSFET中，现在大多厂家均掌握Trench MOSFET，纵向技术的发展，极低的Rds(ON)，使得Id很容易就达到几十A，甚至上百A，各种利于散热的专利封装空前涌现。低压大电流MOS已经在通讯、消费、汽车、工控、便携等电子设备里广泛使用；同时涌现出一批专攻低压大电流MOS的公司，比如台系排行第三的ANPEC（茂达电子），低压(100V)MOS竟然连续几年占其业绩的50以上！ 2）对于双极性晶体管来说，根据Ic=B*Ib来看，其增大电流Ic的方法就是增大发达倍数B。第一种方法就是用达林顿管，通过几个晶体管的放大倍数相乘，达到小的基极电流控制大的集电极电流的目的。其次就是开发大的放大倍数（B）的晶体管，诸如ZETEX的Super-B Transistor,单个晶体管就可以达到Ic=10A.（continuous） 3驱动电压： 1）对于电压型的MOSFET来说，近年来很多厂家推出了许多Vgs(th)低于1V的MOSFET；但是这仅仅是开门电压，并不意味着它们可以在VgsVgs(th)下稳定良好的工作，因为要真正达到全增强（FULL ENHANCEMENT），达到象规格书上标注的Rds(ON),大多标准的MOSFET需要10V左右的Vgs，低Vgs(th)的器件也差不多要35V左右。由此看，大多MOSFET不能用MCU或DSP直接输出控制。尤其是当耐压增大的时候，绝缘层变厚，需要的导通阀值电压迅速上升。此外，Vth受温度影响较大，46mV/度。 2） 对于电流型的双极性晶体管来说，仅仅需要满足Vbe 就可以进行电流的正常增益。小电流的管Vbe甚至可以低至0.4V,对于中大电流的可能需要1V；这样来看，BIPOLAR TRANSISTOR可以比MOSFET更方便的使用MCU或DSP的输出直接控制。而且Vbe随温度变化不大：大约2mV/度。图3 图3 Vbe(sat) 随温度变化曲线 4驱动功率： 1）MOSFET仅仅需要基区电流给它的门极电容充放电，因此在低频和直流电的情况下，MOSFET需要的驱动功率基本为零；高频时驱动功率增加。 2）而晶体管需要足够的基区电流Ib，来达到最低的Rce(sat),由此带来基区损耗Pd=Ib*Vbe(sat)必须考虑在内.;如果需要基区驱动电阻Rb的话，还要加上这个电阻的损耗Pr=Vlogic-Vbe(sat)/Rb.可以通过增大晶体管的增益来减小这些损耗，高增益的单个晶体管就可以达到mA级电流控制A级的电流的效果。 5导通电阻受温度影响： 对于功率开关来说，导通电阻随温度变化的关系非常重要。随着温度的升高，各组成部分的纯电阻上升。 1）在操作温度范围内，随着温度上升，MOSFET的Rds(ON)基本按照2倍左右的正斜率上升；大约是0.64%/度（见图4）在驱动条件一定的情况下，MOSFET可以通过降低开启的门限电压来补偿； 2） 对晶体管来说，随着温度的上升，增益也迅速上升，Vce(sat)变化很小（图5），Rce(sat)上升的速率差不多是Rds(ON)的一半：大约是0.38%/度。在相同的硅面积下，晶体管的温升更小，电流密度高。 图4 Rds(ON) 随温度变化曲线 图5 不同温度下 Vce(sat) VS Ic 6硅的利用率： 1）对MOSFET来说，在管体导通前，需要横向开拓电流通路，所以需要更多的半导体硅晶片。 2）而最优化的BIPOLAR TRANSISTOR，采取电流垂直流动（图6），通过最小化base contact,发射区面积得到最大利用。 从这个意义上说，相同硅晶片的晶体管比MOS管更能有效的传输电流，从而可以减小封装。 图6 ZETEX最新几何技术 7开关速度： 1） MOSFET是多子飘移运动导电，具有绝对的优势，很容易达到几百KHz,甚至几M,乃至几十MHz； 2） 三极管是少子的扩散运动导电，尽管最近几年技术发展很快，出现许多高频管，但是能达到100K就相当不容易了。 8防静电ESD: 1） MOSFET 对静电敏感，尤其是门极电荷累积过多而不能及时放掉的话，很容易造成门极击穿；除了运输和保管的时采取正确措施外，在设计的时候，门极和地之间经常要加上几十Kohm的放电电阻。 2）而双极性晶体管抗静电能力相对较强，可以比较顺利的通过标准的人体静电模式测试。 9抗干扰能力： 1）MOSFET的输入电流几乎为零，输入电阻极大，依靠多数载流子的飘移运动形成电流；抗外界干扰能力较强。 2）晶体管在放大或饱和状态下，必然存在基极电流，因此输入电阻比较小；导电机理是基区的非平衡的少数载流子的扩散运动，更容易受温度、射线等外界因素的影响。 10反向增益(hFC)： 这个特性只有双极性晶体管具有。由于高掺杂的集电区也相当于发射区，在低压变量的时候，反向增益的峰值有可能达到正向增益峰值的3050；例如，ZETEX的Super-B晶体管反向增益峰值可以达到100300。反向增益的典型用途之一是可以传导由外部的感性负载带来的反向瞬态冲击效应，也就可以省略保护二极管了。 图7 ZETEX 晶体管FMMT717反向增益曲线图 将MOSFET和BIPOLAR TRANSISTOR优点结合，就产生了IGBT（ISOLATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR）,他们共同组成了最基本的半导体器件。 电池保护-消费者总是希望他们的移动电话、PDA、MP3播放器等设备具有更多的功能。除此之外，他们还希望手中的设备具有更长的运行时间和待机时间。大多数这样的设备都采用高效的锂离子（Li+）电池作电源。-在正常工作的情况下，这些电池不存在失效的危险。但是在某些情况下，例如电池过充，就可能引起电池失效甚至伤人。因此，在电池组中设置保护电路是非常必要的。-在这种应用中最关键的MOSFET备选参数就是尺寸。实际上，对于半导体厂商而言，他们面临的一个主要挑战就是如何使器件的封装尺寸满足已经为下一代移动电话开发出来的超薄电池组的要求。-过去，MOSFET器件采用SO-8类型的封装，近来TSSOP-8成为标准的封装形式。但是，即使是这种封装，它的尺寸也太大了，无法满足应用的要求，因此MOSFET厂商针对这些需求推出了更薄、尺寸更小的封装形式，例如PowerPAK 25，以及具有芯片级（chip-scale）尺寸的器件，例如MICRO FOOT电源MOSFET。-应用在电池保护领域的MOSFET必须满足与硅性能有关的三个主要要求。首先，它们必须能够传导所有的充电电流和放电电流，同时在工作过程产生极小的热量，因此保证较低水平的MOSFET导通电阻是非常重要的。其次，由于空间的限制，用在保护电路中的两个MOSFET（一个用于充电控制，另一个用于放电控制）必须采用相同的封装。第三，MOSFET需要具有较低的阈值电压（Vth），以保证在单元电压下降的情况下仍然保持完全导通。-芯片级器件的优势在于消除了封装的导通电阻所带来的MOSFET的总体损耗，因此像MICRO FOOT Si8900EDB（具有12m的导通电阻和0.45V的阈值电压）这样的产品在电池保护应用领域就很受欢迎。对于那些需要微型封装器件的用户，PowerPAK 25 SiF912EDZ在2mm5mm的封装大小中的导通电阻只有19m。电池充电-诸如膝上电脑、PDA、数码相机和蜂窝电话这样的便携式设备都需要电源存储系统，一般都采用电池。从系统的角度来看，用户不一定了解电池充电的技术规范，因此便携式设备中通常采用某些形式的内部控制电路。-对于移动电话而言，充电器一般产生接近4.2V的未经校准的电压，这就需要采用一些充电器控制电路来保护电池组的寿命。即使对电池组采取了保护措施，充电过程也要严格遵守充电规范，以确保Li+单元发挥最佳的性能。-在我们选择合适的电源半导体器件的时候，尺寸是一个非常关键的因素，由于不同设计的蜂窝电话的需求不同，所以永远没有“理想”的尺寸大小。充电器电路通常包括一个肖特基二极管和一个MOSFET，由于空间大小的限制，我们最好将这两个器件集成在一个封装之中。要想在最小的封装中选择合适的部件，我们必须分析这两个器件的功耗情况，充电过程分成两个阶段，我们必须仔细分析每一个阶段的情况。-当外部电源没有插好或者没有供电的时候，肖特基二极管能够防止反向电流流过MOSFET的体漏（body drain）二极管，对于这个器件，设计者需要注意的关键特征就是它是否具有较低的正向电压（VF）。对于MOSFET而言，在恒定电流充电的过程中，MOSFET不是完全导通的，因此它的热性能指标比导通电阻更加重要。-当设备进入恒定电压充电阶段时，MOSFET的工作状态才相当于完全饱和的开关，在恒定电压模式下进行充电的时候，MOSFET上大约有10%的损耗。最重要的参数就是在最小的封装尺寸中具有最佳的热阻（thermal resistance），这类应用的一个典型器件就是Si7703EDN，它包含一个肖特基二极管和一个p沟道MOSFET，封装为3mm3mm，结壳（junction-to-case）热阻为4/W。负载开关-对于负载开关而言，最重要的参数就是器件的RDS（导通）值，但同时这种器件还必须具有较低的阈值电压，以便在门驱动电压较低时，具有较低的RDS（导通）值。蜂窝电话的架构中通常会在多处用到负载开关，用来切换功率放大器，或者切换扬声器，或者允许用户使用耳机。-这类应用中MOSFET的尺寸控制相对比较直接，用户必须搞清楚最大负载电流、合适的RDS值（导通）（在正确的工作结温条件下）以及PC板的结合热阻。最大电流可以从下列公式得出：-其中ID(max)是最大的电流，TJ是MOSFET的结温（设置为小于最大值），TA是环境温度，RthJC是结壳热阻，RthCA是管壳到环境的热阻（取决于安装了该器件的pc板），RDS(on)是导通电阻，krDS是与温度相关的RDS(on)的缩放因子。-芯片级MICRO FOOT类型的器件非常适合于负载开关类型的应用。例如，Si8407DB 27m的p沟道的尺寸仅仅为1.9 mm2.3mm，结壳热阻为15/W。功率晶体管功率晶体管的销售收入约占功率分立器件的70%，其中MOSFET和IGBT增长明显。在2002年由于数量增加，销售收入增长7%，成为这一年弱市中的闪光点。2003年功率晶体管收入将增长11.3%，直到2006年市场发展转缓以前，其产量和销售都会保持两位数增长。MOSFET和IGBT将继续推动功率晶体管增长，某些增长的获得是牺牲了双极型功率晶体管的份额。10年前，双极型功率晶体管在总的三极管功率器件中约占34%，到2007年将降至13%以下。与双极型功率晶体管相比，一般而言MOSFET和IGBT更加易用，而且后者代表新技术，性价比能迅速提高，因而双极型功率晶体管不断失去自己的领地。表一显示了功率晶体管发展态势。上述列表中未包含高频功率器件，因为它不是电源管理器件。功率MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）该类器件占电源管理器件销售收入的1/4，在开关式电源、马达控制和其它领域被广泛应用。由于技术进步，器件的静态导通和开关效率得到提高，芯片尺寸减小和生产流程的简化使得价格下降。在低电压或中电压应用领域可以取代双极型功率晶体管。因设计和制造两方面改进，目前该类器件年均增长超过12%。除了电压调节器，这样的发展速度是少见的。功率MOSFET的发展一方面替代了部分双极型功率晶体管，另一方面进入过去双极型功率晶体管不能应用的地方。例如，在标准奔腾4CPU的D