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(多图) 功率MOSFET及其发展浅说

EDN China?? 2003年08月12日 ?? 收藏0

?????? 近年来作了多次关于功率半导体器件发展趋势的报告,许多朋友都希望我讲得更详细些,或更能符合应用工作者的口味,因而撰写一篇现代功率半导体器件浅说的想法由来已久。只是由于设想太大,久久未能动笔。现在从功率MOSFET写起,作为现代功率半导体器件浅说之一,以後再接 写之二、之三,这样就免于搁浅。本文是一种尝试,希望能使读者对现代功率半导体器件的发展有较深入的理解,能更主动地以新一代的器件去改进自己的电路。既是一篇浅说,就需要把基本原理讲得尽可能浅显些。使大家像读故事书那样把技术弄清楚。有的解释或许不够严格。如果我忽略了一些主要的东西,希望读者能协助我予以改正。


?????? 由于世界市场的激烈竞争,各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新的设计、改进新的工艺、开发新的产品。好些产品甚至每个季度都有新的发展,品种的更新换代几乎到了使人眼花缭乱的程度。因此详细介绍器件发展的新趋势,就显得更为必要了。


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sp;??本文从功率MOSFET开始来介绍现代功率半导体器件,这是因为功率MOSFET是新一代功率半导体器件的起点。同时,从器件的结构来说,功率MOSFET也属于最基本的结构之一。


?????? 图一所示为IR功率MOSFET的基本结构。图中每一个六角形是一个MOSFET的原胞(cell)。正因为原胞是六角形的(hexangular),因而IR常把它称为HEXFET。功率MOSFET通常由许多个MOSFET原胞组成。已风行了十余年的IR第三代(Gen-3)HEXFET每平方厘米约有18万个原胞,目前世界上密度最高的IR第八代(Gen-8)HEXFET 每平方厘米已有1740万个原胞。这就完全可以理解,现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当。新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代。

IR

???????图一中已标明了漏(Drain)和源(Source)。漏源之间的电流通过一个沟道(Channel)上的栅(Gate)来控制。按MOSFET的原意,MOS代表金属(Metal)—氧化物(Oxide)—半导体(Semiconductor),即以金属层(M)的栅极隔 氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)。FET(Field Effect Transistor场效应晶体管)的名字也由此而来。然而我们从图一中可以看到,HEXFET中的栅极并不是金属做的,而是用多晶硅(Poly)来做栅极,这也就是图中所注明的硅栅极(Silicon Gate)。IR在1978年时是用金属做栅极的,1979年的Gen-1 HEXFET是世界上第一个采用多晶硅栅极的多原胞型功率MOSFET。
?????? 作为功率MOSFET来说,有两项参数是最重要的。一个是Rds(on),即通态时的漏源电阻。另一个是Qg,即栅极电荷,实际即栅极电容。栅极电容细分起来可分成好几个部份,与器件的外特性输入与输出电容也有较复杂的关系。除此之外有些瞬态参数也需要很好考虑,这些我们留到後面再谈。


??????? 一.通态漏源电阻Rds(on)的降低


为降低Rds(on),先要分析一下Rds(on)是由哪些部分组成。图二列出了芯片中的各部分的电阻。这些电阻主要包括:

芯片中的各部分的电阻

?????? RCH:沟道电阻,即栅极下沟道的电阻。


?????? RJ:JFET电阻,即把各原胞的P-基区(P-Base)所夹住的那部分看为JFET。JFET是结型场效应晶体管(Junction FET) 的简称。结型场效应管是以PN结上的电场来控制所夹沟道中的电流。虽同称为场效应晶体管,但它和MOSFET是以表面电场来控制沟道中的电流情况不同,所以MOSFET有时也被称为表面场效应管。


??????? RD:漂移层电阻,主要是外延层中的电阻。一般做功率MOSFET都采用外延片。所谓外延片即在原始的低阻衬底(substrate)硅片上向外延伸一层高阻层。高阻层用来耐受电压,低阻衬底作为支撑又不增加很多电阻。对MOSFET来说,载流子(电子或空穴)在这


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功率? MOSFET? 电源?

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