Power_MOSFET_IC的结构与电气特性.docVIP

Power MOSFET IC的结构与电气特性 Power MOSFET IC(以下简称为MOSFET)广泛应用在各种电源电路与汽车等领域，虽然最近几年MOSFET在高速切换(switching)与低ON阻抗化有相当的进展，不过一般认为未来MOSFET势必会朝高性能方向发展，因此本文要介绍MOSFET IC的构造、电气特性，以及今后技术发展动向。 MOSFET IC的构造图1是N channel Power MOSFET IC的断面构造，本MOSFET的gate与source之间，亦即gate pad的周围设有可以防止静电破坏的保护二极管，因此它又称为body diode。马达驱动电路与断电电源供应器(UPS)等DC-AC转换inverter等应用的场合，保护二极管可以充分发挥它的特性。　 图1 Power MOSFET IC的构造 　 图2是MOSFET的结构分类，由图可知MOSFET结构上可以分成纵型与横型两种type；纵型type还分成平板(planer)结构与沟槽(trench)结构两种。表1是上述结构特征与主要用途一览。　 图2 Power MOSFET IC的分类 　 　构造 　纵型 　横型 　区分 　低耐压( 100V以下) 高耐压(planer) 低耐压 高耐压 　特性 　planer 　trench 　耐高压化 　－ 　－ ◎ 　－ 　△ 　低ON阻抗化 　○ 　◎ △ 　△ 　－ 　低Ciss (低Qg) 　○ 　○ ○ 　◎ 　◎ 　低Crss (低Qgd ) 　◎ 　○ ○　 　◎ 　◎ 　特征 　高耐压、低电流 　高速、高频 　用途 ?DC-DC converter?驱动小型马达?汽车电机 ?AC-DC switching电源?UPS电源?inverter ?RF增幅输出(行动电话)数百MHz～数GHz ?高频电力增幅(基地台设备) 表1 Power MOSFET的构造与用途 　 ?纵型构造纵型构造适用于高耐压/低ON阻抗MOSFET，目前中/高耐压(VDSS=200V)的MOSFET大多采用纵型结构。虽然部份低耐压(VDSS=100V)的MOSFET也使用纵型结构，不过一般要求低容量、高速switching特性的场合，平板(planer)结构比较有利；要求低ON阻抗特性时，则以沟槽(trench)结构比较适合。最近几年制程与加工设备的进步，沟槽结构的MOSFET在低容量化(低Qg，Qgd化)有相当的进展，因此从应用面观之纵型与沟槽结构的MOSFET，两者的低容量化特性已经没有太大差异。如上所述纵型结构的MOSFET具备高耐压、低ON阻抗、大电流等特征，所以适合当作switching组件使用。　 ?横型构造横型构造最大缺点是不易符合高耐压/低ON阻抗等要求，不过它低容量特性尤其是逆传达容量(归返容量)Crss非常小。如图2(b)所示，gate与source之间的容量被field plate遮蔽(shield)，因此结构上非常有利。不过横型构造的cell面积很大，单位面积的ON阻抗比纵型构造大，因此一般认为不适合switching组件使用，只能当作要求高速/高频等高频增幅器常用的输出控制组件(device)。?今后发展动向横型构造比较适用于低耐压switching组件，主要应用例如驱逐CPU core的VR(Voltage Regulator)等等。一般认为VR未来会朝向0.8V/150A方向发展，此外为支持遽变负载可作高速应答，例如电流站立应答di/dt=400A/μs的速度特性，未来势必成为必备条件之一。由于低电压化需求必需抑制电压幅宽，相对的电压变动容许值必需低于数十mA以下，然而复数电容并联的结果，却造成电路基板变大等困扰，有效对策是提高电源switching的频率，也就是说目前200~300kHz的动作频率，未来势必将会被2~5MHz CPU驱动用VRB((Voltage Regulator Block)取代。此外基于高频领域的动作性等考虑，结构上比较有利的横型构造则被纳入检讨。由于横型构造属于source-source，因此要求高速性的high side switch已经采用横型构造，low side switch(整流用)则利用纵型结构将芯片堆栈在同一stem，藉此消除导线电感(inductance)进而形成高性能MOSFET组件。 MOSFET IC的应用图3是MOSFET IC主要用途与今后发展动向一览；横轴是组件的耐压值VDSS，纵轴是组件应用上的动作频率。　 图3 Power MOSFET IC用途与发展趋势 　 (一).电源系统电源系统要求MOSFET IC具备省能源(energy)、高效率、轻巧、小型、低噪讯(no