低压超级接面结构优化MOSFET性能

寸封装晶片(如QFN3333)和多晶片产品(如DrMOS)的使用越来越为广泛，将低Sp.RDS(on)与低开关FOM相结合的确有其必要性。面积限制同步(Area Constrained sync, ACS)FET FOM组合即是透过降低RDS(on)以提高开关性能，因此须要比封装允许值更大的活动区域。请注意，该FOM不仅是一项单纯的性能指标，亦关系到该技术是否有能力达成各项性能指标在特定空间限制下所认定的潜能。因此，在进行技术比较时，须留意此点。

　　在理想状态下，对于CWS和ACS FOM而言，QG应在VDS=0和VGS=4.5伏特的条件下进行测量。若无法达成上述条件，可根据闸极电荷曲线，利用公式1计算QG。公式中的QG1、QG2分别为VDS1和VDS2条件下测得的闸极电荷，此两点均取自于闸极电荷曲线中QGD的部分之后。

　　QG=4.5V×(QG1-QG2)/(VDS1-VDS2)¨¨¨¨(公式1)

　　输出电荷是一般资料手册中不会提及的另一参数，但使用者可根据输出电容进行估算。当转换电压为12伏特时，假设理想的pn接面电压为0.7伏特，则QOSS可用公式2计算，其中Vm用以表示测量COSS时的电压。

　　QOSS=5.45×COSS(Vm)×(Vm+0.7)1/2¨¨(公式2)

　　最终的目标是确保MOSFET不会因为电容性电流流过闸漏电容(CGD)而导致寄生性导通，当快速VDS瞬变电流产生时，CGD会向CGS电容器充电，致使其电压超过阈值。闸极回跳比率(Gate-bounce Ratio, GBr)即用于此目标;其本质在于，当漏极电压升至输入电压电平时，如果所有流经CGD电容器的电容性电流都流入MOSFET的CGS，这时，CGS电容器的电压仍必须低于电压阈值。此一比例可利用QGD1和QGS1的值从闸极电荷曲线中轻易取得，其中，QGD1是VDS=VIN(CGD彻底充电)和VDS=VGS(CGD已放电)之间的QGD部分，QGS1为VGS=0至电压阈值之间的QGS部分。

　　对于控制FET方面而言，由于现代功率MOSFET的高增益特性，其电流升降时间由电路和源极电感决定，因此其余能耗则由电压升降时间决定，而这些时间则取决于QGD FOM。因此，单独为控制FET定义一个FOM组合并无实际益处。虽然CWS FOM可达成最佳化以应用于同步FET，也可用于判定COSS、CGD和CGS之间由于装置结构所产生的不利影响，但是要注意的是，由于现代元件的QGD相当低，因此，QGD不再是控制FET中功耗的主要因素。另外，由于控制FET的体积相对较小，基本上面积限制晶片尺寸的问题已不复存在，因此，采用面积受到限制的FOM亦无法增加优势。

　　功率MOSFET结构各有优劣

　　图1标示出目前常用的多种功率MOSFET元件结构。图1a中所示的高密度沟槽结构采用较低的Sp.RDS(on)，但QG和QGD较高，因为此两个参数与单元密度成正比。此种结构通常用于开关损耗较无重要性的应用中(如电池保护)。可透过加大单元间距、于沟槽底部加上厚氧化膜以改善此结构的开关性能。

　　图1 功率MOSFET结构

　　因单元间距加大而导致的Sp.RDS(on)上升的问题，可针对MOSFET漂移区进行设计处理以解决，如图1b所示的场平衡结构。目前最常采用的结构为分裂闸极(或电荷平衡)沟槽MOSFET，如图1c所示。此种结构闸极的正下方采用一个连接源极的遮罩电极，既可降低QGD，且透过应用降低表面电场(RESURF)原理，漂移区的电阻降至最低。当然，此结构也有其缺点，其需要较高的单元密度(因此闸极电容较高)以获得RESURF状态;另外，采用连接源极的遮罩电极将产生额外的QG和QOSS，并增加制程的复杂程度。

　　相反地，和沟槽结构相比，横向MOSFET结构(图1d)由于可采用RESURF技术且毋须增加单元密度，因此，可达成出色的QG和QGD FOM。但由于横向结构须要将漂移区纳入单元间距中，因此，可达成的单元密度较低，导致Sp.RDS(on)较低，进而影响到在小面积封装中为同步FET提供所需低RDS(on)的能力。

　　为了克服现有功率MOSFET结构的缺点，目前已经开发出一种采用超级接面概念的新型结构。低压超级接面MOSFET元件的结构如图2所示，此结构采用N-type和P-type矽区域交替形成一个多重RESURF结构，换言之，相当于将横向MOSFET结构先平行放置后，再垂直摆放，进而获得RESURF结构。这种结构克服横向结构的单元间距限制，同时，在漂移区内达成RESURF无需如同以往分裂闸结构必须依赖增加单元密度，和在每个沟槽闸下方增加CDS和CGD电容器。完成真正为DC-DC转换量身打造的元件结构。

　　图2 低压超级接面结构

　　横向/分裂闸/超级接面FOM比较

采用QOSS与QG加权组合作为性能指标的优点如图3所示，其中QG、QOSS及其组合分别针对三个不同的30伏特功率MOSFET结构产生RDS(on)函数。趋势线的斜率反映不同的FOM。请注意：由于数据来自于资料手册，因此数值包含封装电阻。由图3可知，相较于超级接面和分裂闸沟槽技术，横向技术的