3.5 MOS.ppt

1、1,3.5 功率场效应晶体管(Power MOSFET),3.5.1 功率MOSFET的主要特点 3.5.2 功率MOSFET的基本原理及分类 3.5.3 功率MOSFET的基本结构 3.5.4 功率MOSFET的特性 3.5.5 功率MOSFET的主要电学参数 3.5.6 新型结构的功率MOSFET“超结” 3.5.7 功率MOSFET的栅极驱动,2,分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称功率MOSFET（Power MOSFET） 结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction T

2、ransistorSIT）,3,功率MOSFET,上世纪70年代，在集成电路工艺基础上发展起来的半导体电力电子器件 IGBT技术的先导 特点用栅极电压来控制漏极电流,4,功率MOSFET 电压控制，输入阻抗1010程度，输入电流小，功率增益高，驱动功率小，驱动电路简单 多子器件，开关速度快，开关时间由寄生电容决定，没有载流子存储效应，开关频率约为BJT的10倍 电流特性具有负温度系数，易于并联运行 没有电流集中，无二次击穿，有宽的SOA （缺点）无电导调制，通态压降高,3.5.1 功率MOSFET的主要特点 （与双极型器件的比较）,GTR 电流控制 少子器件，开关时间主要由基区 少子寿命决定，

3、开关速度低 通态压降具有负温度系数，难于并联运行 有电流集中，有二次击穿，SOA 受二次击穿限制 有电导调制，通态压降低，功率大，阻断电压高,5,功率MOSFET和传统MOSFET的工作原理基本相同，任何一种MOS场效应器件都是利用半导体表面电场效应来工作的，MOS（金属氧化物半导体）结构是这种器件的核心,3.5.2 功率MOSFET的基本原理及分类,1、 基本原理,以平面工艺制作的N沟MOS为例说明,6,2、分类,N沟增强型,N沟耗尽型,P沟增强型,P沟耗尽型,功率MOSFET主要是增强型,7,作为功率器件，在结构设计、制造技术及特性方面与典型MOSFET完全不同。 功率MOSFET在保留和

4、发挥MOS器件本身特点的基础上，着重于发展和提高功率特性，增大MOS器件的工作电流和电压，突破原有器件的极限。,3.5.3 功率MOSFET的基本结构,8,VMOSFET在传统MOS器件基础上进行的改革： （1）垂直安装漏极实现垂直传导电流，充分利用硅片面积，为获得大电流容量提供了前提条件； （2）设置了高电阻率的N型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定； （3）采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可以实现精确的短沟道制作。,9,1975年，美国siliconix公司将V形槽腐蚀技术移植到MOSFET上，成功的制造出纵向V型槽功率MOSFET，从而开创性

5、将功率MOSFET推向强电领域,3.5.3 功率MOSFET的基本结构,1、VVMOS结构,10,靠腐蚀形成V形槽，很难精确控制 V形槽易于受离子沾污造成阈值电压不稳定 V形槽底部为尖峰，电场较集中，难以提高击穿电压,VVMOS存在的缺点：,VUMOS结构,11,利用两次扩散形成的P型区和N+型区，在硅片表面处的结深之差形成沟道 电子在沟道内沿表面流动，然后垂直的被漏极接收,3.5.3 功率MOSFET的基本结构,2、VDMOS结构,12,采用多晶硅栅双层布线，多单元并联结构，改善了芯片的电流分布，降低了导通电阻 单元密度达1.86104个cm2，新一代MOS达1.12亿吋2，约22104个c

6、m2,13,LDMOS的源、漏、栅三个电极均分布在上表面，可以方便的与其它器件集成，所以在高压集成电路HVIC和功率集成电路PIC中已广泛应用,3.5.3 功率MOSFET的基本结构,3、LDMOS结构,由于发生了面积竞争，一般电力集成器件中不采用此种结构,14,3.5.4 功率MOSFET的特性,1、输出特性,以栅源电压VGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源电压VDS间的关系曲线族。,15,3.5.4 功率MOSFET的特性,1、输出特性, 非饱和区， 0 VDS VDSat，又可分为两段来考虑。 VDS很小时，从源到漏的压降差很小，可以忽略不计，沟道可等效为电阻，ID随VDS线性增大，称为

7、线性区； 随着VDS增加，从源到漏的压降差变大，不可忽略，沟道厚度逐渐减薄，相当于沟道电阻增大，IDS随VDS增大的速率变慢，称为可调电阻区。 饱和区，VDS = VDSat，沟道在漏端被夹断，IDS基本不随VDS而变化，达到饱和。 截止区，0 VGS VT，当栅源电压低于阈值电压，半导体表面将处于弱反型状态，ID很小，主要是PN结的反向泄漏电流。,16,3.5.4 功率MOSFET的特性,2、转移特性,VDS恒定时，漏极电流ID和栅源电压VGS的关系曲线称为MOSFET的转移特性 表征功率MOSFET的VGS对ID的控制能力,17,开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间t

8、on开通延迟时间与上升时间之和 关断过程 关断延迟时间td(off) 下降时间tf 关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,功率MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻， RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流,3、动态特性,3.5.4 功率MOSFET的特性,18,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。 不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。 开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在

9、开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。 开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,MOSFET的开关速度,19,4、安全工作区,3.5.4 功率MOSFET的特性,VDS的最大电压，即PN-结的雪崩击穿电压,150时的最大功耗IDSVDS,最大漏极电流IDSmax,寄生晶体管的二次击穿限制,20,3.5.5 功率MOSFET的主要电学参数,1、导通电阻,导通电阻Ron是功率MOSFET的重要参数，它与输出特性和饱和特性密切相关。通常规定在确定的VGS下，功率MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。 器件结构不同，Ron的计算方法也不同，以美国Motolora公司的TM

10、OS器件为例，Ron由四部分组成。,21,（1）rCH 反型层沟道电阻 （2）rACC 栅漏积聚区电阻 （3）rJFET 夹断区电阻 （4）rD 轻掺杂漏极区电阻,22,3.5.5 功率MOSFET的主要电学参数,2、跨导,ID较大时，ID与VGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导gm。,反映转移特性的斜率，表征器件的放大能力。,23,3.5.5 功率MOSFET的主要电学参数,3、漏源电流,IDS是用来表示晶体管承受电流能力的一个参数。 当功率MOSFET工作在电流饱和区时，IDS与VGS有如下关系：,式中：,W为沟道宽度；L为沟道长度；VT为阈值电压,（二氧化硅的介电常数）,栅氧化层的厚

11、度,（沟道区电子迁移率）,24,功率MOSFET电压定额,(1)漏极电压UDS,(2) 栅源电压UGS, 与栅氧厚度有关,除前面讲到的阈值电压VT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：,(3)极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,3.5.5 功率MOSFET的主要电学参数,4、其他,25,功率MOSFET的通态功耗较高，要降低通态功耗就必须减小导通电阻Ron 击穿电压主要体现在p+区与漂移层（即n-外延层）形成的pn结上，因此要获得高击穿电压必须使漂移层有较大的厚度和较低的掺杂浓度 击穿电压与导通电阻是一对矛盾！ 导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限“硅限”,3.5.6 新

12、型结构的功率MOSFET“超结”,1、“超结”的提出,26,1988年，飞利浦美国公司的D.J.Coe申请美国专利 第一次给出了在横向高压MOSFET中用交替的pn结构代替传统功率器件中低掺杂漂移层作为电压支持层的方法 1993年，我国电子科技大学陈星弼教授申请美国专利 提出在纵向功率器件（尤其是纵向MOSFET）中用多个pn结结构作为漂移层的思想，并称为“复合缓冲层” 1995年，西门子公司的J.Tihanyi申请美国专利 提出了类似的思路和应用 1997年，Tatsuhiko等人提出“超结理论”（Superjunction Thoery），继而这一概念广为流传，被学术界所承认 1998年，

13、Infineon公司推出CoolMOSTM产品，是这一理论得以应用的典型代表,1、“超结”的提出,27,复合缓冲(CB)耐压结构 陈星弼 ：U. S. PAT. NO. 5,216,275 (1993) 中国发明专利ZL91 1 1845. X(1991),有许多结构，适用于各种半导体，各种功率管。 对于最简单的结构用于硅MOS功率管：,快，导通电阻低，易驱动.,Ron 2.10-7bVB1.32 cm2,对耐压一千伏的硅 MOS功率管 导通电阻可比过去的小一百多倍。 If b=1 W=100mm,28,在漂移层插入p-区进行电荷补偿，以提高击穿电压和降低导通电阻 器件加偏压时，横向产生电场使

14、横向pn结耗尽，起到电压支持层的作用 器件耐压能力主要取决于漂移层厚度，n区掺杂浓度可大幅提高，使Ron大大降低,3.5.6 新型结构的功率MOSFET“超结”,2、超结MOSFET的工作原理,29,3.5.6 新型结构的功率MOSFET“超结”,功率器件的设计思想突破了传统的纵向结构设计，逐渐向横向结构设计转化，超结不仅可用于MOS，也可用于pin二极管、晶体管、SIT等。,30,3.5.6 新型结构的功率MOSFET“超结”,在开关开通状态下，需要大量的载流子，而在阻断状态下基本不需要。 在阻断状态下净电荷被相互平衡至零，而在导通状态下其中一种载流子参与导电，且它的掺杂浓度并未降低。补偿原

15、理,31,3.5.6 新型结构的功率MOSFET“超结”,在器件关断时，P型区和N型区都被耗尽，受主和施主电离产生负电荷和正电荷，由于P区和N区相间排列，N区正电荷产生的电力线将有一部分沿横向终止于P区，而不是像单一掺杂类型的漂移区那样只能沿纵向消失于电极处。这样，从外部来看，漂移区的等效电荷密度就被降低了。所以，即使漂移区掺杂较重，也能做到与轻掺杂的单一漂移区相同的耐压。,32,3.5.6 新型结构的功率MOSFET“超结”,33,3.5.7 功率MOSFET的栅极驱动,1、栅极驱动特点,34,3.5.7 功率MOSFET的栅极驱动,2、栅极驱动电路,（1）直接驱动,35,3.5.7 功率MOSFET的栅极驱动,2、栅