功率MOSFET及其发展浅说

时间：01-09 来源：作者：高级技术顾问张为佐点击：

图3

　　述图3（a）中也可以看出，原结构中的JFET在沟槽型结构中已经消失。这也就使其Rds(on)得以进一步下降。然而沟槽式的缺点是其工艺成本要比原平面型的结构较高。

（3）降低漂移电阻

　　上面的讨论已涉及到如何降低沟道电阻RCH和JFET电阻RJ。现在剩下的是如何来减小芯片的体电阻RD。上面已经提到，当要求MOSFET工作于较高电压时，必需提高硅片的电阻率。在双极型晶体管中（晶闸管也一样），有少数载流子注入基区来调节体内电阻，所以硅片电阻率的提高对内阻的增加影响较小。但MOSFET则不属于双极型晶体管，它依赖多数载流子导电，所以完全是以外延层的电阻率来决定其Rd。因而使MOSFET的 Rds(on)与器件耐压有一个大概2.4到2.6次方的关系。即要求器件的耐压提高时，其Rds(on)必然有一个十分迅速的上升。这也是为什么在 600伏以上常采用IGBT的原因。IGBT是绝缘栅双极型晶体管的简称，IGBT虽然结构与MOSFET相似，但却是一种双极型器件。它也是采用少数载流子的注入来降低其体电阻的。

　　一个十分聪明的构思又为功率MOSFET提供了一条新出路。如果N－沟道MOSFET中的P基区（如图3（b））向体内伸出较长形成一个P柱。则当漏源之间加上电压时，其电场分布就会发生根本的变化。通常PN结加上电压时，电位线基本上是平行于PN结面的。但这种P柱在一定的设计下可使电位线几乎和元件表面平行。就像P柱区和N－区已被中和为一片高阻区一样。于是就可以采用较低的电阻率去取得器件较高的耐压。这样，Rds (on)就因较低的电阻率而大大下降，和耐压的关系也不再遵循前面所提到的2.4到2.6次方的关系了。这样一种思路为MOSFET拓宽了往高压的发展，今后和IGBT在高压领域的竞争就大为有利了。

　　通过上面的各种努力，IR公司MOSFET的Rds(on)正逐年下降，或者说，正在逐季下降。应用工作者如何抓住机会跟上器件的发展，及时把更好性能的器件用上去，就变得十分重要了。

2栅电荷Qg的降低

　　MOSFET常常用在频率较高的场合。开关损耗在频率提高时愈来愈占主要位置。降低栅电荷，可有效降低开关损耗。

　　为了降低栅电荷，从减小电容的角度很容易理解在制造上应采取的措施。从图4可以看到，为减小电容，增加绝缘层厚度（在这儿是增加氧化层厚度）当然是措施之一。减低电容板一侧的所需电荷（现在是降低沟道区的搀杂浓度）也是一个相似的措施。此外，就需要缩小电容板的面积，这也就是要减小栅极面积。缩小原胞面积增加原胞密度从单个原胞来看，似乎可以缩小多晶层的宽度，但从整体来讲，其总的栅极覆盖面积实际上是增加的。从这一点来看，增加原胞密度和减小电容有一定的矛盾。

图4

　　采用了上述措施，IR产生了第3.5代。也称为低栅电荷MOSFET。第3.5代的米勒电容下降80％，栅电荷下降40％。当然第3.5代还有许多其它措施来降低Rds(on)（降低了15％），这样所带来的好处不仅是开通速度快了，温升降低了，也带来了dv/dt能力的提高，栅漏电压的增高，同时也降低了驱动电路的费用。所以对应用工作者来说，将大家最为熟悉的第三代改换用第3.5代的时机已经来到。

　　为缓解原胞密度增高后栅面积增大引起栅电荷过分增大的问题，一种折衷的结构也随之出现。那就是将漏极的原胞结构改为条状漏极。这时候可以有同样窄的栅极（条密度很高）而不至于增加太多栅极面积，所以栅电荷得以减小。

　　请原谅我暂时还不能把IR公司的某一代技术和上述的结构联系得过分明确，因为公司也许不容许我这样做。但我相信我已经把联系器件主要参数的基本原理都说清楚了。为了帮助大家记忆，可以粗略地把IR用于高压的器件归纳为第3、6、9代，其中当然包括3.5代。而用于低压的则为5、7、8代。这样如果大家以后在IR的有关报告中听到这些，也就不至于迷惑了。

3动态性能的改进

　　熟悉电力电子技术的人，早已很了解除了要考虑器件的电压、电流、频率而外，还必须懂得在应用中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。这在当年应用晶闸管时是如此，现在同样也应有相应的考虑。当然晶闸管是两个双极型晶体管的组合，又加上因大面积带来的大电容，所以其dv/dt能力是较为脆弱的。对 di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的限制。

　　功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒（而不是每微秒）的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以理解。

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