基于功率MOSFET設(shè)計考量

用作功率開關(guān)的MOSFET

隨著數(shù)十年來器件設(shè)計的不斷優(yōu)化，功率MOSFET晶體管帶來了新的電路拓撲和電源效率的提升。功率器件從電流驅(qū)動變?yōu)殡妷候?qū)動，加快了這些產(chǎn)品的市場滲透速度。上世紀80年代，平面柵極功率MOSFET首度面向高壓器件，BVDSS電壓范圍達到500-600V，取得市場的成功。在這個時期，功率MOSFET的傳導(dǎo)損耗主要取決于溝道密度、結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)阻抗和外延阻抗(參見圖1)。隨著半導(dǎo)體行業(yè)光刻設(shè)備越來越精密，提高了晶體管單元密度，傳導(dǎo)損耗因而得以改善。光刻設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高的單元密度，同時也促使功率MOSFET的BVDSS范圍成功地下降到100V以內(nèi)，實現(xiàn)了新的汽車電子、電源和電機控制應(yīng)用。高壓MOSFET的傳導(dǎo)損耗問題也就轉(zhuǎn)移到外延設(shè)計之上。另一方面，MOSFET器件在降壓轉(zhuǎn)換器中的使用，以及更寬的電源電壓范圍(30V)要求，激發(fā)了市場對更高性能器件的需求。

圖1：平面功率MOSFET的導(dǎo)通阻抗元件

上世紀90年代初期平面功率MOSFET技術(shù)的長足發(fā)展之時，出現(xiàn)了一類新型溝道柵極功率MOSFET，為低壓器件設(shè)立了新的性能標桿。這類溝道MOSFET采用一種嵌入在溝道區(qū)域并細致地蝕刻到器件的柵極結(jié)構(gòu)，使得溝道密度增加一倍(第一代產(chǎn)品就達到每平方英寸1200萬個單元)。由于新技術(shù)能夠增加并行傳導(dǎo)通道的數(shù)量并減少JFET阻抗元件，因此使到傳導(dǎo)效率提高近30%。

器件設(shè)計人員面對的挑戰(zhàn)是：技術(shù)提升除了增加單元密度，因為柵極-漏極區(qū)域交疊面積和柵極-源極交疊面積增加，所以同時引起容抗和柵極電荷的增加。因此，器件設(shè)計人員一直希望通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新來減少開關(guān)損耗。飛兆半導(dǎo)體公司于1998年推出一種專為高效降壓轉(zhuǎn)換器而優(yōu)化的溝道柵極功率MOSFET，也就是第一代PowerTrench® 產(chǎn)品。如今PowerTrench®已經(jīng)過七代改進優(yōu)化，演變?yōu)樽钚碌慕祲恨D(zhuǎn)換器部件。

針對同步整流拓撲的功率MOSFET優(yōu)化

隨著首批微控制器開始使用有別于計算機的標準5V或12V電源，功率MOSFET也開始獲得廣泛應(yīng)用。將直流電壓轉(zhuǎn)換成更低電壓的舊式降壓轉(zhuǎn)換器，成為低電壓開關(guān)功率器件發(fā)展的應(yīng)用驅(qū)動力。而且開發(fā)焦點也從AC-DC開關(guān)電源和電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)向要求更嚴苛的處理器以及能滿足特定的供電要求的相關(guān)外設(shè)組件。

作為處理器電源的降壓轉(zhuǎn)換器隨即增配同步整流器以改善效率，并使用同步開關(guān)功率MOSFET來補充并最終替代肖特基整流二極管，從而降低傳導(dǎo)損耗。而移動計算技術(shù)的出現(xiàn)，對轉(zhuǎn)換器效率提出了更高求，進而推動了該技術(shù)的高度演進，成為現(xiàn)代功率MOSFET中使用的模式。

在高技術(shù)水平下，易于確定對降壓轉(zhuǎn)換器MOSFET的要求。在大多數(shù)情況下，同步整流器或SyncFET都在導(dǎo)通狀態(tài)下工作，并且其導(dǎo)通阻抗應(yīng)當很小，以最大限度減少功耗。高側(cè)開關(guān)MOSFET由直流電源驅(qū)動，生成電脈沖，然后經(jīng)LC濾波器平滑處理成連續(xù)的電壓，再施加到負載上。因為MOSFET的主要損耗來自開關(guān)動作，而且導(dǎo)通時間很短，所以開關(guān)器件速度要夠快，而且導(dǎo)通阻抗要夠小。開關(guān)和整流兩個環(huán)節(jié)交替處于導(dǎo)通狀態(tài)，但導(dǎo)通時段不能重疊，否則電源和接地間便會形成所謂直通(shoot-through)，直接造成功率損耗。當開關(guān)器件導(dǎo)通時，SyncFET的漏極電壓瞬變將在柵極CGS上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，其大小則取決于CGS和CGD的幅度及兩者的比率以及開關(guān)瞬變速率。如果柵極電壓超過閾值，器件將再次導(dǎo)通，導(dǎo)致直通。所以只要CGS/CGD比率足夠大，便能夠防止漏極電壓瞬變誘發(fā)直通。

分析該技術(shù)演進并明確MOSFET要求后，就能明白器件技術(shù)發(fā)展的主要推動因素。在圖2a的基本溝道柵極結(jié)構(gòu)中，通過增加溝道的寬度/長度比，便可以降低導(dǎo)通阻抗。而按圖2b所示在溝道底部延伸氧化層厚度，就能夠提高開關(guān)速度和增大CGS/ CGD比率。最終的設(shè)定就如圖2c所示，在溝道的柵極下部額外嵌入一個電極，以增加漂移區(qū)電荷，從而降低導(dǎo)通阻抗；并且同時降低CGD，提高開關(guān)速度，并改變CGS /CGD比率，藉此最大限度地防止直通。

圖2：a）傳統(tǒng)溝道柵極功率MOSFET；b）溝道底部氧化層加厚的溝道MOSFET；c）增添屏蔽電極的溝道MOSFET。