当前位置：文档之家 › Power MOSFET IC的结构与电气特性

Power MOSFET IC的结构与电气特性

  • 格式：pdf
  • 大小：2.61 MB
  • 文档页数：47

Power MOSFET IC的結構與電氣特性Power MOSFET IC(以下簡稱為MOSFET)廣泛應用在各種電源電路與汽車等領域，雖然最近幾年MOSFET在高速切換(switching)與低ON阻抗化有相當的進展，不過一般認為未來MOSFET勢必會朝高性能方向發展，因此本文要介紹MOSFET IC的構造、電氣特性，以及今後技術發展動向。

MOSFET IC的構造圖1是N channel Power MOSFET IC的斷面構造，本MOSFET的gate與source之間，亦即gate pad 的周圍設有可以防止靜電破壞的保護二極體，因此它又稱為body diode。

馬達驅動電路與斷電電源供應器(UPS)等DC-AC轉換inverter等應用的場合，保護二極體可以充分發揮它的特性。

圖1 Power MOSFET IC的構造圖2是MOSFET的結構分類，由圖可知MOSFET結構上可以分成縱型與橫型兩種type；縱型type 還分成平板(planer)結構與溝槽(trench)結構兩種。

表1是上述結構特徵與主要用途一覽。

圖2 Power MOSFET IC的分類構造 縱型 橫型區分 低耐壓( 100V以下)特性 planer trench 高耐壓(planer)低耐壓 高耐壓耐高壓化 － － ◎ － △ 低ON阻抗化 ○ ◎ △ △ － 低C iss (低Q g) ○ ○ ○ ◎ ◎ 低C rss (低Q gd ) ◎ ○ ○ ◎ ◎ 特徵 高耐壓、低電流 高速、高頻用途 ‧DC-DC converter‧驅動小型馬達‧汽車電機‧AC-DC switching電源‧UPS電源‧inverter‧RF增幅輸出(行動電話)數百MHz～數GHz‧高頻電力增幅(基地台設備) 表1 Power MOSFET的構造與用途‧縱型構造縱型構造適用於高耐壓/低ON阻抗MOSFET，目前中/高耐壓(V DSS=200V)的MOSFET大多採用縱型結構。

雖然部份低耐壓(V DSS=100V)的MOSFET也使用縱型結構，不過一般要求低容量、高速switching特性的場合，平板(planer)結構比較有利；要求低ON阻抗特性時，則以溝槽(trench)結構比較適合。

最近幾年製程與加工設備的進步，溝槽結構的MOSFET在低容量化(低Qg，Qgd化)有相當的進展，因此從應用面觀之縱型與溝槽結構的MOSFET，兩者的低容量化特性已經沒有太大差異。

如上所述縱型結構的MOSFET具備高耐壓、低ON阻抗、大電流等特徵，所以適合當作switching元件使用。

‧橫型構造橫型構造最大缺點是不易符合高耐壓/低ON阻抗等要求，不過它低容量特性尤其是逆傳達容量(歸返容量)C rss非常小。

如圖2(b)所示，gate與source之間的容量被field plate遮蔽(shield)，因此結構上非常有利。

不過橫型構造的cell面積很大，單位面積的ON阻抗比縱型構造大，因此一般認為不適合switching 元件使用，只能當作要求高速/高頻等高頻增幅器常用的輸出控制元件(device)。

‧今後發展動向橫型構造比較適用於低耐壓switching元件，主要應用例如驅逐CPU core的VR(V oltage Regulator)等等。

一般認為VR未來會朝向0.8V/150A方向發展，此外為支援遽變負載可作高速應答，例如電流站立應答di/dt=400A/μs的速度特性，未來勢必成為必備條件之一。

由於低電壓化需求必需抑制電壓幅寬，相對的電壓變動容許值必需低於數十mA以下，然而複數電容並聯的結果，卻造成電路基板變大等困擾，有效對策是提高電源switching的頻率，也就是說目前200~300kHz的動作頻率，未來勢必將會被2~5MHz CPU驅動用VRB((V oltage Regulator Block)取代。

此外基於高頻領域的動作性等考量，結構上比較有利的橫型構造則被納入檢討。

由於橫型構造屬於source-source，因此要求高速性的high side switch已經採用橫型構造，low side switch(整流用)則利用縱型結構將晶片堆疊在同一stem，藉此消除導線電感(inductance)進而形成高性能MOSFET元件。

MOSFET IC的應用圖3是MOSFET IC主要用途與今後發展動向一覽；橫軸是元件的耐壓值V DSS，縱軸是元件應用上的動作頻率。

圖3 Power MOSFET IC用途與發展趨勢(一).電源系統電源系統要求MOSFET IC具備省能源(energy)、高效率、輕巧、小型、低噪訊(noise)、低高頻電流、高可靠性，以及高速負載應答(峰值負載電流)等特性。

在switching電源中，進展最快速的是DC-DC converter與驅動CPU的VR，尤其是驅動CPU的VR，除了低電壓化/大電流化之外，今後更要求小型/高速化(高化)，因此動作頻率(控制IC的PWM頻率)有高頻化的傾向。

雖然目前主流是200~300KHz，不過未來會逐漸朝400~700KHz，甚至1MHz高頻化方向提升。

然而高頻化的結果，卻造成MOSFET的switching損失大幅增加，雖然FOM(Figure Of Merit)是MOSFET高性能化的重要指標，不過基本上降低R DS(on)，Q gd才是根本對策。

圖4是Power MOSFET IC的性能指標，亦即FOM改善經緯。

圖5是gate內部阻抗Rg與電源效率的關係，由圖可知動作頻率ƒ=300kHz時，R g會從3Ω變成0.5Ω，電源效率則改善1%以上；如果動作頻率ƒ=1MHz時，電源效率則改善5%以上。

雖然gate 內部阻抗R g會隨著元件種類出現差異，不過動作300kHz頻率超過以上高速動作時，建議讀者選用R g低於2Ω的type。

VR用MOSFET的選擇重點如下:a.high side device‧低ON阻抗(輸入電壓V in會改變優先度)。

‧低Q gd特性。

‧低gate內部阻抗R g(低於2Ω)。

b.high side device‧超低ON阻抗(輸入電壓V in會改變優先度)。

‧低Q gd特性。

‧低Q g特性。

‧低C rss/C iss特性(輸入電壓V in會改變優先度)。

‧高速二極體特性(快速的逆復原時間t rr)。

圖4 低Q gd與低R D(an)化的發展動向圖5 gate内部阻抗與效率的依存性(二).汽車電機例如引擎控制器、安全氣曩、ABS、HEV/FCEV操控馬達、廢氣控制、車內LAN用繼電器代用品等，電路系統內部都可以發現功率MOSFET IC的蹤影，由於這些控制系統涉及人身安全，因此除了高可靠性之外，更要求MOSFET對所有破壞模式具備強大的耐量(承受能力；以下簡稱「耐量」)。

有關廢氣控制與省能源問題，低ON阻抗特性的MOSFET非常適合，不過為確保負載短路破壞耐量，所以低ON阻抗特性往往受到某種程度的犧牲，所幸的是具備過溫度遮斷功能的熱能(thermal)FET已經商品化，而內建智慧型((intelligent)電路，以保護電路簡略化/高可靠性為訴求，以及附設保護負載短路+自我診斷輸出端子、內建可以檢測溫度/電流功能的晶片，已經正式進入研發階段。

(三).馬達驅動應用以往MOSFET IC的馬達驅動應用，主要是印表機、影印機、硬碟機等電腦與事務機器領域，最近幾年這些機器基於高速送紙、高速起動、高速停止的市場需求壓力，以及要求提高馬達的控制精度等來自設計者的需求，因此採用同時具備高速應達(response)，與低損失、低耐壓功率MOSFET IC的case有逐年增加的趨勢。

此外上述應用基於成本考量大幅簡化驅動電路，因此以P channel MOSFET與N channel MOSFET補償型(complementary)元件居多，由於動作頻率大多低於50kHz，所以元件設計上非常重視低ON阻抗特性。

雖然理論上P channel MOSFET的ON阻抗比N channel MOSFET大，不過隨著製程微細化，兩者幾乎達到無差異程度。

採用內建P channel與N channel耐壓低於60V，外型封裝類似SOP-8小型元件的數量也不斷增加。

(四).可攜式電子產品使用電池驅動的大電流(數A~10A)可攜式電子產品，以筆記型電腦(Note BookPersonal Computer以下簡稱為NB-PC)最具代表性。

NB-PC的AC充電電源與電池切換選擇開關，以及各種負載開關(load switch)，大多使用P channel MOSFET；至於鋰離子電池的保護電路充放電開關，則使用小型封裝低ON阻抗的P channel MOSFET。

隨著筆記型電腦的高速化與處理資料容量遽增，必需提供更大的電流給CPU，這意味著鋰離子電池的動作電流也隨著提高。

以往小型鋰離子電池pack大多是以呈密封狀態，因此大多使用小型封裝低ON阻抗的P channel MOSFET。

目前耐壓-30V,R DS(on)=3.6mΩtyp，超低ON阻抗小型封裝的LFPAK(SOP-8 pin compatible)已經商品化，R DS(on)=2.7Ωtyp同樣是小型封裝的產品HAT1125H，則正在開發中。

(五).Audio應用以往Audio OP增幅器大多採取類比方式，最近受到省電化的影響，Audio設備也改用數位化switching 技術。

由於Audio OP增幅器的電源，大多使用電源變壓器與大容量電解電容，因此電源模組若改用switching電源，理論上可以獲得小型、輕巧、省電等多重效益，不過實際上輸出模組的增幅器基於噪訊、偏斜率THD(Total Harmonic Distortion)等，Audio設備特有的特性等考量，加上設備系統屬於類比結構，因此無法期待功率增幅器整體的效率可以獲得改善。

所幸的是電源模組與輸出增幅模組都導入switching技術，因此業者也逐漸改用數位化增幅器。

未來數位化增幅器適用於以上Audio高功率輸出段，該輸出段與switching電源一樣，屬於half bridge與full bridge結構，可用300MHz以上動作頻率switching。

上述電路與switching電源一樣，high side與low side元件都設有所謂的dead time，需注意的是設定時間過大的話，會有波形歪斜之虞。

此外利用PWM變調作數十ns脈衝寬度控制，switching速度太慢的話，同樣會影響波形歪斜，因此MOSFET IC必需具備100~150V的耐壓，數十mΩ低ON阻抗特性，數十pF以下低歸返(return)容量C rss，加上低噪訊化的等高速switching，與高V th(V th>3V)等特性。

合集下载

Power-MOS-FET基础知识

Power-MOS-FET基础知识


2021/3/10
讲解：XX
4
圖形
2021/3/10
讲解：XX
5
結構
图1是典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P 型硅半导体材料作衬底(图la)，在其面上扩散了两个N型区 (图lb)，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc)， 最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法 分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极)、S(源 极)及D(漏极)，如图1d所示。 从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S 之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在 一起。
2021/3/10
讲解：XX
11
圖形（3）
耗尽型：N沟道(图7a)；P沟道(图c)； 增强型：N沟道（图b)；P沟道(图d)。
2021/3/10
讲解：XX
12
輸出特性比較
2021/3/10
讲解：XX
13
頻率特性比較
2021/3/10
讲解：XX
14
應用位置
2021/3/10
讲解：XX
15
超過此值將會損壞器件
图1是N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善 某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低 导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所 谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。图2是一种N沟道增强型 功率MOSFET的结构图 。
2021/3/10
讲解：XX
6
圖形（1）
2021/3/10
讲解：XX
7
工作原理
要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压 VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。 改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图3所示（上面↑）。 若先不接VGS(即VGS＝0)，在D与S极之间加一正电压 VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间 不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时 可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘 层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界 面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出 负电荷(如图3)。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载 流子(空穴)的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层 有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。
PowerMOSFET基础知识

PowerMOSFET基础知识

用提供了参考依据。
针对PowerMOSFET的常见问 题，如热管理、开关时间和电 压击穿等，进行了深入探讨， 并提出了相应的解决方案。
结合实际案例，展示了 PowerMOSFET在电机驱动、 电源供应和逆变器等领域的应 用，突出了其高效、可靠和灵 活的特点。
对未来研究的建议
01
深入研究PowerMOSFET的材料、工艺和结构设计，以提高其性能和 可靠性。
最大允许工作电压是指PowerMOSFET在正 常工作条件下所承受的最大电压，超过此 电压可能导致器件损坏。
03
CATALOGUE
PowerMOSFET的应用领域
电源管理
电源转换
电源保护
PowerMOSFET在电源管理领域中常 用于实现高效的直流电压转换，如将 高压直流电转换为低压直流电，以满 足不同设备的供电需求。
电力系统
无功补偿
PowerMOSFET可以用于构建无功补 偿装置，通过控制MOSFET的开关状 态来调节电容器的投切，从而实现无 功补偿和滤波功能，提高电力系统的 功率因数和稳定性。
智能电网
在智能电网中，PowerMOSFET可以 作为智能电表中的重要元件，用于实 现远程控制和智能管理电力系统的功 能。
PowerMOSFET的工作原理
开关状态
在开关状态下，PowerMOSFET可以 通过控制栅极电压来开启或关闭电流 的导通。当栅极电压足够高时，导电 沟道形成，电流从源极流向漏极。
导通状态
在导通状态下，PowerMOSFET的导 电沟道内存在大量的自由电子和空穴 ，形成很强的电导率，允许大电流通 过。
02
探索新型的PowerMOSFET驱动和控制技术，以适应不断发展的电力 电子系统需求。
MOSFET结构及其工作原理详解

MOSFET结构及其工作原理详解

1.MOSFET的 工作原理MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但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 Transistor——SIT）。

其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

2.1.功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。

导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

功率MOSFET的结构图按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double‐diffused MOSFET），本文主要以VDMOS 器件为例进行讨论。

功率MOSFET基础知识详解

功率MOSFET基础知识详解

功率MOSFET基础知识详解目录●击穿电压●导通电阻●跨导●阈值电压●二极管正向电压●功率耗散●动态特性●栅极电荷●d v/d t 能力尽管分立式功率MOSFET的几何结构，电压和电流电平与超大规模集成电路（VLSI）设备采用的设计方式有极大的不同，它仍然采用了与VLSI电路类似的半导体加工工艺。

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)从70年代的初级场效应晶体管发展而来。

图1描述了MOSFET的器件原理图，传输特性和器件符号。

双极结型晶体管（BJT)自身的局限性驱动了功率MOSFET的发明，直到最近几十年，BJT才成为功率电子应用的可选器件。

图1.MOSFET器件（a）原理图，（b）传输特性，和（c）器件符号虽然无法精确地界定功率器件的工作范围，但是我们大致将功率器件称之为任何可在大于等于1A电流切换的器件。

双极功率晶体管是一个电流控制的器件。

使用BJT时，需要大量的基极驱动电流（相当于1/5的集电极电流）保持器件处于导通状态。

不仅如此，还需要更高的反向基极驱动电流以便快速关断。

虽然BJT具有非常先进的生产工艺和较低的成本，但是这两点局限性仍然使它的基极驱动电路设计比功率MOSFET更加复杂更加昂贵。

BJT的另外一个局限性在于它的电子和空穴都产生传导。

具有更长载流子寿命空穴的出现使得BJT的开关速度比相同尺寸和相同额定电压的功率MOSFET慢几倍。

此外，热失控也是BJT的短板。

由于它的正向压降随着温度的上升而下降，因此在多个器件并联时，会导致电流流向一个器件。

而功率MOSFET是无少数载流子注入的多数载流子元件。

在高频应用中，对开关功率耗散要求严格时，它比双极结型晶体管（BJT）更具优势。

此外，它还能同时承受高电流和高电压的应用，不会因为二次击穿遭受破坏性的损坏。

由于功率MOSFET的正向压降随着温度的上升而上升，可以确保电流均匀的分配到所有的器件，因此功率MOSFET可并联。

然而，当击穿电压高时（>200V），功率MOSFET的通态压降比相同尺寸和相同额定电压的双极器件更高。