功率MOSFET及其發(fā)展淺說

功率MOSFET及其發(fā)展淺說

ElementaryIntroductionofPowerMOSFETandIt'sDevelopment

　　近年來作了多次關(guān)于功率半導(dǎo)體器件發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)告，許多朋友都希望我講得更詳細(xì)些，或更能符合應(yīng)用工作者的口味，因而撰寫一篇現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件淺說的想法由來已久。只是由于設(shè)想太大，久久未能動(dòng)筆。現(xiàn)在從功率MOSFET寫起，作為現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件淺說之一，以后再接著寫之二、之三，這樣就免于擱淺。本文是一種嘗試，希望能使讀者對(duì)現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展有較深入的理解，能更主動(dòng)地以新一代的器件去改進(jìn)自己的電路。既是一篇淺說，就需要把基本原理講得盡可能淺顯些。使大家像讀故事書那樣把技術(shù)弄清楚。有的解釋或許不夠嚴(yán)格。如果我忽略了一些主要的東西，希望讀者能協(xié)助我予以改正。

由于世界市場(chǎng)的激烈競爭，各功率半導(dǎo)體器件制造商正投入大量資金發(fā)展新的設(shè)計(jì)、改進(jìn)新的工藝、開發(fā)新的產(chǎn)品。好些產(chǎn)品甚至每個(gè)季度都有新的發(fā)展，品種的更新?lián)Q代幾乎到了使人眼花繚亂的程度。因此詳細(xì)介紹器件發(fā)展的新趨勢(shì)，就顯得更為必要了。

本文從功率MOSFET開始來介紹現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，這是因?yàn)楣β蔒OSFET是新一代功率半導(dǎo)體器件的起點(diǎn)。同時(shí)，從器件的結(jié)構(gòu)來說，功率MOSFET也屬于最基本的結(jié)構(gòu)之一。

圖1所示為IR功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)。圖中每一個(gè)六角形是一個(gè)MOSFET的原胞（cell）。正因?yàn)樵橇切蔚模╤exangular）,因而IR常把它稱為HEXFET。功率MOSFET通常由許多個(gè)MOSFET原胞組成。已風(fēng)行了十余年的IR第三代（Gen－3）HEXFET每平方厘米約有18萬個(gè)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1740萬個(gè)原胞。這就完全可以理解，現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的精細(xì)工藝已和微電子電路相當(dāng)。新一代功率器件的制造技術(shù)已進(jìn)入亞微米時(shí)代。

圖1

??? 圖1中已標(biāo)明了漏（Drain）和源（Source）。漏源之間的電流通過一個(gè)溝道（Channel）上的柵（Gate）來控制。按MOSFET的原意，MOS代表金屬（Metal）－氧化物（Oxide）－半導(dǎo)體（Semiconductor），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）。FET（FieldEffectTransistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的名字也由此而來。然而我們從圖1中可以看到，HEXFET中的柵極并不是金屬做的，而是用多晶硅（Poly）來做柵極，這也就是圖中所注明的硅柵極（SiliconGate）。IR在1978年時(shí)是用金屬做柵極的，1979年的Gen－1HEXFET是世界上第一個(gè)采用多晶硅柵極的多原胞型功率MOSFET。

作為功率MOSFET來說，有兩項(xiàng)參數(shù)是最重要的。一個(gè)是Rds(on),即通態(tài)時(shí)的漏源電阻。另一個(gè)是Qg，即柵極電荷，實(shí)際即柵極電容。柵極電容細(xì)分起來可分成好幾個(gè)部分，與器件的外特性輸入與輸出電容也有較復(fù)雜的關(guān)系。除此之外有些瞬態(tài)參數(shù)也需要很好考慮，這些我們留到后面再談。

1通態(tài)漏源電阻Rds(on)的降低

??? 為降低Rds(on)，先要分析一下Rds(on)是由哪些部分組成。圖2列出了芯片中的各部分的電阻。這些電阻主要包括：

??? RCH：溝道電阻，即柵極下溝道的電阻。

??? RJ：JFET電阻，即把各原胞的P－基區(qū)（P－Base）所夾住的那部分看為JEFT。JEFT是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JunctionFET）的簡稱。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是以PN結(jié)上的電場(chǎng)來控制所夾溝道中的電流。雖同稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管，但它和MOSFET是以表面電場(chǎng)來控制溝道中的電流情況不同，所以MOSFET有時(shí)也被稱為表面場(chǎng)效應(yīng)管。

圖2

RD：漂移層電阻，主要是外延層中的電阻。一般做功率MOSFET都采用外延片。所謂外延片即在原始的低阻襯底（substrate）硅片上向外延伸一層高阻層。高阻層用來耐受電壓，低阻襯底作為支撐又不增加很多電阻。對(duì)MOSFET來說，載流子（電子或空穴）在這些區(qū)域是在外界電壓下作漂移（Drift）運(yùn)動(dòng)，故而相關(guān)的電阻稱為RD。若要求MOSFET的耐壓高，就必須提高高阻層（對(duì)N溝道MOSFET來說，稱N－層）的電阻率，但當(dāng)外延層的電阻率提高時(shí)，RD也隨之提高。這也是很少出現(xiàn)一千伏以上的高壓MOSFET的原因。

（1）降低溝道電阻

首先我們來看如何降低溝道電阻。前面已經(jīng)提到，當(dāng)前功率MOSFET發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)就是把單個(gè)原胞的面積愈做愈小，原胞的密度愈做愈高，其原因就是為了降低溝道電阻。為什么提高原胞的密度可降低溝道電阻呢？從圖一可以看出：HEXFET的電流在柵極下橫向流過溝道。其電阻的大小和通過溝道時(shí)的截面有關(guān)。而這個(gè)截面隨器件內(nèi)原胞周界的增長而增大。當(dāng)原胞密度增大時(shí)，在一定的面積內(nèi)，圍繞著所有原胞的總周界長度也迅速擴(kuò)大，從而使溝道電阻得以下降。

IR公司1995年發(fā)展的第五代HEXFET，其原胞密度已比第三代大5倍。因此通過同樣電流時(shí)的硅片面積有希望縮小到原來的2/5。第五代的另一個(gè)特點(diǎn)是，其工藝大為簡化，即從第三代的6塊光刻板減為4塊，這樣器件的制造成本就可能降低。當(dāng)今世界上最流行的仍是IR的第三代和第五代，第三代常用于較高電壓的器件（如200～600伏），而第五代常用于較低電壓的器件（如30～250伏）。高密度結(jié)構(gòu)在較低電壓器件中顯示更優(yōu)越作用的原因是因?yàn)榈蛪浩骷捏w電阻RD較小，因而降低溝道電阻更易于顯出效果。過去有多年工作經(jīng)驗(yàn)的電力電子工作者，常對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)廠熱中于發(fā)展低壓器件不感興趣或不可理解。這主要是電力電子技術(shù)的應(yīng)用面已大大拓寬，一些低壓應(yīng)用已成為新技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵。最典型的是電腦中電源的需求。正在研究的是1伏甚至到0.5伏的電源，同時(shí)必須迅速通過50或100安這樣大的電流，這種要求對(duì)半導(dǎo)體器件是十分苛刻的。就像要求一個(gè)非常低壓力的水源，瞬間流出大量的水一樣。

為進(jìn)一步增加原胞密度，也可以采用挖槽工藝。通常稱為trench(溝槽)MOSFET。圖3（a）將溝槽結(jié)構(gòu)作了一個(gè)簡單圖示。溝槽結(jié)構(gòu)的溝道是縱向的，所以其占有面積比橫向溝道為小。從而可進(jìn)一步增加原胞密度。有趣的是，最早做功率稍大的垂直型縱向MOSFET時(shí)，就是從挖槽工藝開始的，當(dāng)初稱為VVMOS,但由于工藝不成熟，因而只有當(dāng)平面型的VDMOS出現(xiàn)后，才有了新一代的功率半導(dǎo)體器件的突破。在半導(dǎo)體器件的發(fā)展過程中，因?yàn)榘雽?dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，或是一種新的應(yīng)用要求，使一些過去認(rèn)為不成熟的技術(shù)又重新有了發(fā)展，這種事例是相當(dāng)普遍的。當(dāng)前一統(tǒng)天下的縱向結(jié)構(gòu)功率MOSFET，也有可能吸納橫向結(jié)構(gòu)而為低壓器件注入新的發(fā)展方向。

（2）降低JFET電阻

為降低JFET電阻，很早就采用了一種工藝，即增加所夾溝道中的摻雜濃度，以求減小JFET的溝道電阻。

溝槽式結(jié)構(gòu)也為降低JFET電阻帶來好處。從上

圖3

述圖3（a）中也可以看出，原結(jié)構(gòu)中的JFET在溝槽型結(jié)構(gòu)中已經(jīng)消失。這也就使其Rds(on)得以進(jìn)一步下降。然而溝槽式的缺點(diǎn)是其工藝成本要比原平面型的結(jié)構(gòu)較高。

（3）降低漂移電阻

上面的討論已涉及到如何降低溝道電阻RCH和JFET電阻RJ?，F(xiàn)在剩下的是如何來減小芯片的體電阻RD。上面已經(jīng)提到，當(dāng)要求MOSFET工作于較高電壓時(shí)，必需提高硅片的電阻率。在雙極型晶體管中（晶閘管也一樣），有少數(shù)載流子注入基區(qū)來調(diào)節(jié)體內(nèi)電阻，所以硅片電阻率的提高對(duì)內(nèi)阻的增加影響較小。但MOSFET則不屬于雙極型晶體管，它依賴多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以完全是以外延層的電阻率來決定其Rd。因而使MOSFET的Rds(on)與器件耐壓有一個(gè)大概2.4到2.6次方的關(guān)系。即要求器件的耐壓提高時(shí)，其Rds(on)必然有一個(gè)十分迅速的上升。這也是為什么在600伏以上常采用IGBT的原因。IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的簡稱，IGBT雖然結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，但卻是一種雙極型器件。它也是采用少數(shù)載流子的注入來降低其體電阻的。

一個(gè)十分聰明的構(gòu)思又為功率MOSFET提供了一條新出路。如果N－溝道MOSFET中的P基區(qū)（如圖3（b））向體內(nèi)伸出較長形成一個(gè)P柱。則當(dāng)漏源之間加上電壓時(shí)，其電場(chǎng)分布就會(huì)發(fā)生根本的變化。通常PN結(jié)加上電壓時(shí)，電位線基本上是平行于PN結(jié)面的。但這種P柱在一定的設(shè)計(jì)下可使電位線幾乎和元件表面平行。就像P柱區(qū)和N－區(qū)已被中和為一片高阻區(qū)一樣。于是就可以采用較低的電阻率去取得器件較高的耐壓。這樣，Rds(on)就因較低的電阻率而大大下降，和耐壓的關(guān)系也不再遵循前面所提到的2.4到2.6次方的關(guān)系了。這樣一種思路為MOSFET拓寬了往高壓的發(fā)展，今后和IGBT在高壓領(lǐng)域的競爭就大為有利了。

通過上面的各種努力，IR公司MOSFET的Rds(on)正逐年下降，或者說，正在逐季下降。應(yīng)用工作者如何抓住機(jī)會(huì)跟上器件的發(fā)展，及時(shí)把更好性能的器件用上去，就變得十分重要了。

2柵電荷Qg的降低

??? MOSFET常常用在頻率較高的場(chǎng)合。開關(guān)損耗在頻率提高時(shí)愈來愈占主要位置。降低柵電荷，可有效降低開關(guān)損耗。

??? 為了降低柵電荷，從減小電容的角度很容易理解在制造上應(yīng)采取的措施。從圖4可以看到，為減小電容，增加絕緣層厚度（在這兒是增加氧化層厚度）當(dāng)然是措施之一。減低電容板一側(cè)的所需電荷（現(xiàn)在是降低溝道區(qū)的攙雜濃度）也是一個(gè)相似的措施。此外，就需要縮小電容板的面積，這也就是要減小柵極面積?？s小原胞面積增加原胞密度從單個(gè)原胞來看，似乎可以縮小多晶層的寬度，但從整體來講，其總的柵極覆蓋面積實(shí)際上是增加的。從這一點(diǎn)來看，增加原胞密度和減小電容有一定的矛盾。

圖4

??? 采用了上述措施，IR產(chǎn)生了第3.5代。也稱為低柵電荷MOSFET。第3.5代的米勒電容下降80％，柵電荷下降40％。當(dāng)然第3.5代還有許多其它措施來降低Rds(on)（降低了15％），這樣所帶來的好處不僅是開通速度快了，溫升降低了，也帶來了dv/dt能力的提高，柵漏電壓的增高，同時(shí)也降低了驅(qū)動(dòng)電路的費(fèi)用。所以對(duì)應(yīng)用工作者來說，將大家最為熟悉的第三代改換用第3.5代的時(shí)機(jī)已經(jīng)來到。

?? 為緩解原胞密度增高后柵面積增大引起柵電荷過分增大的問題，一種折衷的結(jié)構(gòu)也隨之出現(xiàn)。那就是將漏極的原胞結(jié)構(gòu)改為條狀漏極。這時(shí)候可以有同樣窄的柵極（條密度很高）而不至于增加太多柵極面積，所以柵電荷得以減小。

?? 請(qǐng)?jiān)徫視簳r(shí)還不能把IR公司的某一代技術(shù)和上述的結(jié)構(gòu)聯(lián)系得過分明確，因?yàn)楣疽苍S不容許我這樣做。但我相信我已經(jīng)把聯(lián)系器件主要參數(shù)的基本原理都說清楚了。為了幫助大家記憶，可以粗略地把IR用于高壓的器件歸納為第3、6、9代，其中當(dāng)然包括3.5代。而用于低壓的則為5、7、8代。這樣如果大家以后在IR的有關(guān)報(bào)告中聽到這些，也就不至于迷惑了。

3動(dòng)態(tài)性能的改進(jìn)

??? 熟悉電力電子技術(shù)的人，早已很了解除了要考慮器件的電壓、電流、頻率而外，還必須懂得在應(yīng)用中如何保護(hù)器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。這在當(dāng)年應(yīng)用晶閘管時(shí)是如此，現(xiàn)在同樣也應(yīng)有相應(yīng)的考慮。當(dāng)然晶閘管是兩個(gè)雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對(duì)di/dt來說，它還存在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問題，所以也帶來相當(dāng)嚴(yán)格的限制。

??? 功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來估量。但盡管如此，它也存在動(dòng)態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。

圖5MOSFET剖面與等效電路圖

??? 圖5是功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個(gè)晶閘管一樣）。這幾個(gè)方面，是研究MOSFET動(dòng)態(tài)特性很重要的因素。

?? 首先MOSFET結(jié)構(gòu)中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復(fù)雪崩能力來表達(dá)。當(dāng)反向di/dt很大時(shí)，二極管會(huì)承受一個(gè)速度非?？斓拿}沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件打壞。作為任一種PN結(jié)二極管來說，仔細(xì)研究時(shí)其動(dòng)態(tài)特性是相當(dāng)復(fù)雜的。它們和我們一般理解PN結(jié)正向時(shí)導(dǎo)通反向時(shí)阻斷的簡單概念很不相同。當(dāng)電流迅速下降時(shí)，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復(fù)時(shí)間。PN結(jié)要求迅速導(dǎo)通時(shí)，也會(huì)有一段時(shí)間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會(huì)增加作為多子器件的MOSFET的復(fù)雜性。

??? 功率MOSFET的設(shè)計(jì)早已采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻Rb盡量小。因?yàn)橹挥性诼ON區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個(gè)N區(qū)建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動(dòng)態(tài)條件下，因dv/dt通過相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時(shí)這個(gè)寄生的雙極性晶體管就會(huì)起動(dòng)，有可能給MOSFET帶來災(zāi)難。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對(duì)功率MOSFET器件內(nèi)部的各個(gè)電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

?? 瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關(guān)的。這方面對(duì)應(yīng)用有研究的專家會(huì)給你最好的指導(dǎo)。如果對(duì)器件有了深入理解，將大大有利于理解和分析相應(yīng)的問題。

??? 值得注意的是，為了追求更低Rds(on)的MOSFET，同時(shí)又要求有更快速的性能，一種完全嶄新結(jié)構(gòu)的MOSFET還會(huì)出現(xiàn)。請(qǐng)容許我今后不斷補(bǔ)充和更新這方面的有關(guān)知識(shí)，我想今后應(yīng)注明“淺說”是屬于哪年的版本，因?yàn)樾碌母镄聦?shí)在是發(fā)展得太快了。

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