MOSFET 结构介绍.pdf

1、1 . 基 本 器 件 结 构 功 率MOSFET ( 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 晶 体 管) 是 非 常 通 用 的 功 率 器 件 ， 因 为 它 具 有 低 的 栅 极 驱 动 功 率 ， 快 的 开 关 速 度 和 优 异 的 并 联 工 作 能 力 。 许 多 功 率 MOSFET 具 有 纵 向 的 垂 直 结 构 ， 源 极 和 漏 极 在 晶 元 的 相 对 的 平 面 ， 从 而 可 以 流 过 大 的 电 流 和 具 有 高 的 电 压 。 图1a 和1b 示 出 沟 漕 和 平 面 两 种 基 本 的 器 件 结 构 。 沟 漕 结 构 主 要 用 于

2、额 定 电 压 低 于200V 的 器 件 ， 因 为 它 具 有 高 的 沟 道 密 度 ， 因 此 导 通 电 阻 低 。 平 面 结 构 适 合 于 更 高 的 额 定 电 压 器 件 ， 因 为 导 通 电 阻 主 要 由epi- 层 的 电 阻 来 决 定 ， 因 此 无 法 得 到 高 的 单 元 密 度 。 两 种 结 构 基 本 的 操 作 相 同 。 除 了 特 别 的 定 义 ， 本 文 只 讨 论 沟 漕 结 构 。沟 槽 M O S F E T 和 平 面 M O S F E T 1b: 平面MOSFET 结构 1a: 沟槽MOSFET 结构2 . 击 穿 电 压 在

3、许 多 功 率MOSFET 中 ，N + 源 极 和P- 体 形 成 的 结 是 通 过 金 属 物 短 路 的 ， 从 而 避 免 意 外 的 导 通 寄 生 的 三 极 管 。 当 没 有 偏 置 加 在 栅 极 时 ， 功 率MOSFET 通 过 反 向 偏 置P- 体 和N - Epi 形 成 的 结 ， 可 以 承 受 高 的 漏 极 电 压 。 在 高 压 器 件 中 ， 绝 大 部 分 电 压 由 少 掺 杂 的Epi 层 来 承 受 ： 厚 的 少 掺 杂 的Epi 层 承 受 更 高 的 击 穿 耐 压 ， 但 是 增 加 了 导 通 电 阻 。 在 低 压 器 件 中 ，P

4、- 体 掺 杂 程 度 和N - Epi 层 差 不 多 ， 也 可 以 承 受 电 压 。 如 果 P- 体 的 厚 度 不 够 ， 重 掺 杂 太 多 ， 耗 尽 区 可 以 通 孔 达 到N + 源 极 区 ， 从 而 降 低 了 击 穿 电 压 值 。 如 果P- 体 的 厚 度 太 大 ， 重 掺 杂 不 够 ， 沟 道 的 电 阻 和 阈 值 电 压 将 增 大 。 因 此 需 要 仔 细 的 设 计 体 和Epi 掺 杂 和 厚 度 以 优 化 其 性 能 。 数 据 表 中 ，BV DSS 通 常 定 义 为 漏 电 流 为250uA 时 漏 极 到 源 极 的 电 压 。 漏

5、 极 到 源 极 的 漏 电 流 表 示 为I DSS ， 它 在100% 的BV DSS 额 定 时 测 量 。 温 度 增 加 ，I DSS 增 加 ，BV DSS 也 增 加 。3 . 导 通 状 态 特 性 要考虑功率MOSFET 在两种不同的模式 下工作：第一象限和第三象限工作。 图2 ：导通区特性 第一象限第 一 象 限 工 作 当正向电压加在漏极上时，N 沟道的功率MOSFET 操作在 第一象限工作，如图2 所示。当栅极电压V G 增加到阈值电压 V TH 时，MOSFET 沟道开始流过电流。它流过电流的值取决 于MOSFET 的导通电阻，定义为： RDSON=VD/ID 对于足

6、够的栅极电荷过驱动V G V TH ，I D -V D 曲线操作在线 性区，因为MOSFET 的沟道完全导通。在低的栅极过驱动 电压下，当V D (V G -V TH ) ，由于沟道的修剪效应，漏极电流 达到饱和点。 对于沟漕MOSFET, R DSON 由于下面几个部分组成： - R S : 源极电阻 - R CH : 沟道电阻 - R ACC : 聚集区电阻 - R EPI : 硅片顶层电阻，外延硅，有名epi ；epi 控制着 MOSFET 可以承受阻断电压值 - R SUBS : 硅衬底电阻，epi 从它上面生长。 Rds on 组 成 图3a ：沟槽Rds on 组成 图3b ：平面

7、Rds on 组成 Rds on 组 成 对 于 沟 漕MOSFET, R DSON 由 于 下 面 几 个 部 分 组 成 ： - R S : 源 极 电 阻 - R CH : 沟 道 电 阻 - R ACC : 聚 集 区 电 阻 - R EPI : 硅 片 顶 层 电 阻 ， 外 延 硅 ， 有 名epi ；epi 控 制 着MOSFET 可 以 承 受 阻 断 电 压 值 - R SUBS : 硅 衬 底 电 阻 ，epi 从 它 上 面 生 长 。 对于平面MOSFET, R DSON 组成部分和沟漕MOSFET 相似。主要的不 同在于出现JFET 部分。当器件缩小到更小的尺寸，R

8、S , R CH , R ACC 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， 当电流被限制在靠近P- 体区的狭窄的n- 区流过时，R JFET 将遭受JFET 效应。由于没有JFET 效应，沟漕MOSFET 可以得到更高密度的缩减， 实现低的R DSON 。 沟道电阻R CH 主要依赖于栅极过驱动程度。V GS 增加，R CH 减小。开始 时，当V GS 增到V TH 以上时，R DSON 很快降减小，表明MOSFET 沟道导 通。当V GS 进一步增加，R DSON 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。R DSON 随温度

9、增加而 增加，因为温度增加，载流子运动能力降低，这是器件并联工作的重 要特性。 图4 Rds on 对栅极偏置和温度 阈 值 电 压阈 值 电 压V GS(TH) 定 义 为 最 小 的 栅 极 偏 置 电 压 ， 此 时 ， 在 源 极 和 漏 极 间 形 成 导 通 的 沟 道 。 对 于 功 率MOSFET ， 通 道 在250uA 的 漏 源 极 电 流 时 测 量 。 栅 极 氧 化 层 厚 度 和 沟 道 掺 杂 集 中 度 用 来 控 制 阈 值 电 压 。10-15V 的 驱 动 电 压 ， 其 典 型 值 设 计 为2-4V 。 使 用CMOS 技 术 缩 减 ， 功 率MO

10、SFET 的 栅 极 驱 动 电 压 可 以 降 到 的2.5-4.5V 。 因 此 ， 这 些 应 用 需 要 更 低 的 阈 值 电 压1-2V 。 阈 值 电 压 具 有 负 的 温 度 系 数 ， 温 度 增 加 ， 阈 值 电 压 降 低 。 跨 导 跨 导g fs ， 定 义 为MOSFET 的 增 益 ， 可 以 用 下 面 公 式 表 示 ： gfs=DIDS/DVGS =Cox W/LCH 通 常 在 固 定 的V DS ， 在 饱 和 区 测 量 。 器 件 栅 极 宽 度W ， 沟 道 长 度L CH ， 活 动 性 ， 栅 极 电 容C OX ， 影 响 跨 导 值 。

11、 温 度 增 加 ， 跨 导 降 低 ， 因 为 载 流 子 的 活 性 降 低 。第 三 象 限 工 作 在DCDC 的BUCK 变换器中，功率MOSFET 在第三象限工作很常见， 电流流过下面N 沟道的MOSFET ，和第一象限比较，电流方向是反向 的，施加的R DSON 相同。 在相对低的电流时，第三象限工作的导通特性和第一象限是对称的。 因此可以假定两种操作典型有相同的R DSON 。在大的电流和大的V DS 时，它们工作方式不同。当V DS 接近体二极管的正向压降时，体二极 管开始导通。因此，电流增加，不能看到电流饱和特性。 第三象限工作4. 电 容 MOSFET 的 开 关 特 性

12、 受 器 件 三 个 管 脚 的 寄 生 电 容 的 影 响 ， 也 就 是 栅 极 源 极 电 容C GS ， 栅 极 漏 极 电 容C GD 和 漏 极 源 极 电 容C DS ， 如 图6 所 示 。 这 些 电 容 值 是 非 线 性 的 ， 和 器 件 结 构 ， 几 何 特 性 和 偏 置 电 压 相 关 。 开 通 时 ， 电 容C GD 和C GS 通 过 栅 极 充 电 ， 因 此 设 计 栅 极 的 控 制 电 路 时 必 须 考 虑 电 容 的 变 化 。MOSFET 的 数 据 表 提 供 的 寄 生 电 容 参 数 ，C ISS ，C OSS , 和C RSS 。 C

13、 GD = C RSS C GS = C ISS C RSS C DS = C OSS C RSS C RSS = 小 信 号 反 向 传 输 电 容 。 C ISS = 小 信 号 输 入 电 容 ， 漏 极 和 源 极 短 路 。 C OSS = 小 信 号 输 出 电 容 ， 栅 极 和 源 极 短 路 。 图6: MOSFET 寄 生 电 容 MOSFET 的 电 容 是 非 线 性 的 ， 是 直 流 偏 置 电 压 的 函 数 。 图7 示 出 了 电 容 如 何 随 V DS 电 压 增 加 而 变 化 。 所 有 的MOSFET 的 寄 生 电 容 来 源 于 不 依 赖 于

14、偏 置 的 氧 化 物 电 容 和 依 赖 于 偏 置 的 硅 耗 尽 层 电 容 的 组 合 。 当 电 压 增 加 时 ， 和V DS 相 关 电 容 的 减 小 来 源 于 耗 尽 层 电 容 减 小 ， 耗 尽 层 区 域 扩 大 。 图7b 示 出 了 当V GS 电 压 增 加 大 于 阈 值 电 压 ，V DS 电 压 值 低 ，MOSFET 栅 极 电 容 也 增 加 ， 因 为MOS 沟 道 电 子 反 形 层 形 成 ， 在 沟 漕 底 部 形 成 电 子 聚 集 层 。 这 也 是 为 什 么 一 旦 电 压 超 过Q GD 阶 级 ， 栅 极 电 荷 特 性 曲 线 的

15、 斜 率 增 加 的 原 因 。 图7a: 典 型 电 容 随V DS 变 化 图7b: 典 型 输 入 电 容 C iss 随 V GS 变 化5. 栅 极 电 荷 如 果 知 道 了 栅 极 的 驱 动 电 流 ， 栅 极 电 荷 参 数 可 以 用 来 估 算 功 率MOSFET 开 关 时 间 。 这 只 取 决 于 器 件 的 寄 生 电 容 。 这 个 参 数 受 漏 极 电 流 ， 电 源 电 压 和 温 度 的 影 响 较 小 。 栅 极 电 荷 测 试 的 原 理 图 和 相 关 波 形 见 图8 所 示 。 在 此 电 路 中 ， 恒 定 的 栅 极 电 流 源I g 给

16、测 试 器 件 的 栅 极 充 电 ， 漏 极 电 流I D 由 外 部 提 供 。 测 量V GS 和 栅 极 充 电 时 间 ， 可 以 直 接 表 明 漏 极 电 流 从0 增 加 到I D ， 同 时 ， 漏 极 电 压 从V DC 减 小 完 全 导 通 电 压 时 ， 器 件 所 消 耗 的 能 量 。 在 栅 极 电 流 开 通 前 ， 测 试 的 器 件 承 受 的 所 有 电 源 电 压V DC ， 而V GS 电 压 和 漏 极 电 流 为0 。 一 旦 栅 极 电 流Ig 开 始 流 过 ， 栅 极 源 极 电 容C GS 和 栅 极 漏 极 电 容C GD 开 始 充

17、电 ， 栅 极 到 源 极 电 压 开 始 增 加 。 充 电 的 速 度 为I G /C ISS 。 当 V GS 电 压 达 到 阈 值 电 压 后 ， 漏 极 电 流 开 始 流 过 。 栅 极 电 压 开 始 上 升 到 平 台 电 压V GP (V GSTH +I D /g FS ) ， 而 测 试 器 件 的 电 压 保 持 在 电 源 电 压V DC 需 要 达 到 这 种 状 态 的 电 荷Ig*time 为Q GS 。 当 漏 极 的 电 流 到 达I D 时 ， 漏 极 的 电 压 开 始 下 降 ， 此 时 ，V GS 保 持 在 恒 定 的V GP 值 。 栅 极 电

18、流 用 来 给 电 容C GD 充 电 ， Ig= C GD dV DS /dt 。 当V DS 接 近 导 通 状 态 时 ， 平 台 阶 段 结 束 。 在 平 台 阶 段 ， 注 入 的 栅 极 电 荷 为Q GD ， 通 常 用 它 来 估 算 电 压 转 换 的 时 间 和 开 关 损 耗 。 下 一 步 ， 测 试 器 件 的 栅 极 继 续 充 电 到 最 终 的 值 ， 漏 源 极 电 压 变 为R DSON x I D 。 栅 源 极 电 压 自 由 的 上 升 ， 上 升 的 斜 率 由 栅 极 的 充 电 电 流 和C ISS 决 定, 在V GS V TH 时 ，C I

19、SS 更 高 ， 图7b 所 示 ， 导 致 在 栅 极 电 荷 曲 线 上 ， 更 低 的 斜 率 ， 直 到 栅 源 极 电 压 达 到 最 大 值 。 这 个 栅 极 的 电 荷 是 所 有 栅 极 电 荷Q G 。 图8: 栅 极 电 荷 测 试 电 路 和 波 形 6. 栅 极 电 阻 对 于 栅 极 的 驱 动 ， 功 率MOSFET 栅 极 呈 现 和RC 网 络 类 似 的 阻 抗 。 等 效 的 电 阻 就 是 指 栅 极 的 电 阻Rg 。 栅 极 的 电 阻 由 栅 极 多 晶 硅 导 体 ， 金 属 和 连 接 结 构 的 电 阻 产 生 。 连 接 结 构 就 是 为

20、 了 连 接 外 部 封 装 的 管 脚 ， 所 布 设 的 到 焊 盘 的 栅 极 信 号 线 。 对 于 多 晶 硅 栅 极 功 率 沟 漕MOSFET ， 栅 极 的 电 阻 取 决 于 掺 杂 的 程 度 和 多 晶 硅 材 料 的 类 型 （N 或P 型 ） ， 栅 极 沟 漕 的 几 何 特 性 和 器 件 设 计 的 安 排 。 对 于 同 样 器 件 设 计 ，N 型 沟 漕 功 率MOSFET 通 常 比P 型 有 更 低 栅 极 电 阻 ， 因 为 在 合 适 掺 杂 的 多 晶 硅 中 ，N 型 具 有 更 低 的 薄 膜 电 阻 。 许 多 开 关 器 件 最 后 要

21、使 用LCR 仪 ，100% 的 测 量Rg 。7. 开 通 和 关 断 功 率MOSFET 数 据 表 通 常 有 阻 性 负 载 的 开 关 特 性 ， 取 决 于R g ，C iss 和C rss 。 当 寄 生 的 电 感 和 栅 极 驱 动 细 节 因 素 影 响 到 实 际 的 测 量 时 ， 可 以 检 查 基 本 的 物 理 特 性 。 图9 示 出 了 功 率MOSFET 阻 性 负 载 开 关 测 试 电 路 和 波 形 。 图9: 阻 性 负 载 开 关 测 试 电 路 和 波 形开 通 和 关 断 t d(on) 开 通 延 时 时 间, 这 个 值 是V gs 上 升

22、 到 超 过10% 的 栅 极 驱 动 电 压 ， 同 时 漏 极 电 流 上 升 到 超 过 规 定 值 的 时 间 ， 在t d(on) 时 刻 ，V GS 达 到 阈 值 电 压 ， 这 段 时 间 由R g C iss 时 间 常 数 数 千 决 定 。 t r 上 升 时 间, 这 个 值 是 漏 极 电 流 从10% 负 载 电 流 上 升 到90% 的 负 载 电 流 时 间 ， 取 决 于V TH ， 跨 导g FS 和R g C rss 时 间 常 数 。 t d(off) 关 断 延 时 时 间, 这 个 值 是V gs 下 降 到90% 的 栅 极 驱 动 电 压 ， 同

23、 时 漏 极 电 流 下 降 到 低 于90% 负 载 电 流 的 时 间 ， 是 电 流 开 始 转 移 到 负 载 中 的 延 时 ， 取 决 于R g C iss 。 tf 下 降 时 间, 这 个 值 是 漏 极 电 流 从90% 负 载 电 流 下 降 到10% 的 负 载 电 流 时 间 ， 取 决 于V TH ， 跨 导g FS 和R g C rss 时 间 常 数 。8. 体 二 极 管 正 向 压 降 V SD 是 集 成 的 体 内 二 极 管 在 施 加 一 定 的 源 极 电 流 时 ， 正 向 压 降 的 测 量 值 。 施 加 的 源 极 电 流 典 型 值 为1A

24、 ， 在 数 据 表 中 ， 它 和 正 向 压 降 的 最 大 限 制 值 一 同 定 义 。 图10 示 出 了 二 极 管 在 两 种 温 度 下 的 典 型 的 正 向I-V 特 性 。 对 于AOS SRFET ， 典 型 的V SD 比 通 常 的MOSFET 要 低 ， 为0.4V 。 低 的V SD 可 以 减 小 二 极 管 导 通 时 的 功 率 损 耗 。 因 此 ，SRFET 是DCDC 变 换 器 下 管FET ， 以 及 其 它 要 求 体 二 极 管 导 通 一 定 时 间 的 应 用 的 理 想 选 择 。 图10: 体 二 极 管 正 向 特 性 9. 体 二

25、 极 管 反 向 恢 复 当 二 极 管 从 导 通 状 态 切 换 为 关 断 状 态 时 ， MOSFET 的 寄 生 体 二 极 管 产 生 反 向 恢 复 ， 因 为 存 储 的 少 子 电 荷 必 须 被 清 除 ， 在 器 件 内 部 ， 或 者 通 过 负 电 流 主 动 的 清 除 ， 或 者 通 过 复 合 被 动 的 清 除 。 在 数 据 表 中 ， 有 三 个 参 数 列 出 来 表 示 二 极 管 的 反 向 恢 复 。 t rr : 体 二 极 管 反 向 恢 复 时 间 。 I RM : 体 二 极 管 反 向 峰 值 电 流 。 Q rr : 体 二 极 管 反 向 恢 复 电 荷 ， 就 是 二 极 管 电 流 波 形 的 负 电 流 部 分 的 面 积 。