低壓超級接面結(jié)構(gòu)優(yōu)化MOSFET性能
QOSS=5.45×COSS(Vm)×(Vm+0.7)1/2¨¨(公式2)
最終的目標(biāo)是確保MOSFET不會因為電容性電流流過閘漏電容(CGD)而導(dǎo)致寄生性導(dǎo)通,當(dāng)快速VDS瞬變電流產(chǎn)生時,CGD會向CGS電容器充電,致使其電壓超過閾值。閘極回跳比率(Gate-bounce Ratio, GBr)即用于此目標(biāo);其本質(zhì)在于,當(dāng)漏極電壓升至輸入電壓電平時,如果所有流經(jīng)CGD電容器的電容性電流都流入MOSFET的CGS,這時,CGS電容器的電壓仍必須低于電壓閾值。此一比例可利用QGD1和QGS1的值從閘極電荷曲線中輕易取得,其中,QGD1是VDS=VIN(CGD徹底充電)和VDS=VGS(CGD已放電)之間的QGD部分,QGS1為VGS=0至電壓閾值之間的QGS部分。
對于控制FET方面而言,由于現(xiàn)代功率MOSFET的高增益特性,其電流升降時間由電路和源極電感決定,因此其余能耗則由電壓升降時間決定,而這些時間則取決于QGD FOM。因此,單獨為控制FET定義一個FOM組合并無實際益處。雖然CWS FOM可達(dá)成最佳化以應(yīng)用于同步FET,也可用于判定COSS、CGD和CGS之間由于裝置結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不利影響,但是要注意的是,由于現(xiàn)代元件的QGD相當(dāng)?shù)?,因此,QGD不再是控制FET中功耗的主要因素。另外,由于控制FET的體積相對較小,基本上面積限制晶片尺寸的問題已不復(fù)存在,因此,采用面積受到限制的FOM亦無法增加優(yōu)勢。
功率MOSFET結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣
圖1標(biāo)示出目前常用的多種功率MOSFET元件結(jié)構(gòu)。圖1a中所示的高密度溝槽結(jié)構(gòu)采用較低的Sp.RDS(on),但QG和QGD較高,因為此兩個參數(shù)與單元密度成正比。此種結(jié)構(gòu)通常用于開關(guān)損耗較無重要性的應(yīng)用中(如電池保護(hù))??赏高^加大單元間距、于溝槽底部加上厚氧化膜以改善此結(jié)構(gòu)的開關(guān)性能。
圖1 功率MOSFET結(jié)構(gòu)
因單元間距加大而導(dǎo)致的Sp.RDS(on)上升的問題,可針對MOSFET漂移區(qū)進(jìn)行設(shè)計處理以解決,如圖1b所示的場平衡結(jié)構(gòu)。目前最常采用的結(jié)構(gòu)為分裂閘極(或電荷平衡)溝槽MOSFET,如圖1c所示。此種結(jié)構(gòu)閘極的正下方采用一個連接源極的遮罩電極,既可降低QGD,且透過應(yīng)用降低表面電場(RESURF)原理,漂移區(qū)的電阻降至最低。當(dāng)然,此結(jié)構(gòu)也有其缺點,其需要較高的單元密度(因此閘極電容較高)以獲得RESURF狀態(tài);另外,采用連接源極的遮罩電極將產(chǎn)生額外的QG和QOSS,并增加制程的復(fù)雜程度。
相反地,和溝槽結(jié)構(gòu)相比,橫向MOSFET結(jié)構(gòu)(圖1d)由于可采用RESURF技術(shù)且毋須增加單元密度,因此,可達(dá)成出色的QG和QGD FOM。但由于橫向結(jié)構(gòu)須要將漂移區(qū)納入單元間距中,因此,可達(dá)成的單元密度較低,導(dǎo)致Sp.RDS(on)較低,進(jìn)而影響到在小面積封裝中為同步FET提供所需低RDS(on)的能力。
為了克服現(xiàn)有功率MOSFET結(jié)構(gòu)的缺點,目前已經(jīng)開發(fā)出一種采用超級接面概念的新型結(jié)構(gòu)。低壓超級接面MOSFET元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示,此結(jié)構(gòu)采用N-type和P-type矽區(qū)域交替形成一個多重RESURF結(jié)構(gòu),換言之,相當(dāng)于將橫向MOSFET結(jié)構(gòu)先平行放置后,再垂直擺放,進(jìn)而獲得RESURF結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)克服橫向結(jié)構(gòu)的單元間距限制,同時,在漂移區(qū)內(nèi)達(dá)成RESURF無需如同以往分裂閘結(jié)構(gòu)必須依賴增加單元密度,和在每個溝槽閘下方增加CDS和CGD電容器。完成真正為DC-DC轉(zhuǎn)換量身打造的元件結(jié)構(gòu)。
圖2 低壓超級接面結(jié)構(gòu)
橫向/分裂閘/超級接面FOM比較
采用QOSS與QG加權(quán)組合作為性能指標(biāo)的優(yōu)點如圖3所示,其中QG、QOSS及其組合分別針對三個不同的30伏特功率MOSFET結(jié)構(gòu)產(chǎn)生RDS(on)函數(shù)。趨勢線的斜率反映不同的FOM。請注意:由于數(shù)據(jù)來自于資料手冊,因此數(shù)值包含封裝電阻。由圖3可知,相較于超級接面和分裂閘溝槽技術(shù),橫向技術(shù)的QG更佳。由于超級接面結(jié)構(gòu)在元件閘極和連接源極的漏極遮罩電極間增加了CGS,因此QG值低于分裂閘技術(shù)。
圖3 針對橫向/分裂閘/超級接面30V功率MOSEFT結(jié)構(gòu)的QG、QOSS和QG與QOSS加權(quán)組合(CWS FOM)的比較。
相較于采用表面漏極觸點的橫向元件而言,橫向結(jié)構(gòu)的基板與漏極連接,并在元件主體和基板間增加CDS元件,可產(chǎn)生較高的QOSS結(jié)構(gòu)。分裂閘結(jié)構(gòu)的QOSS值亦較高,因為其依賴漏源極電容的產(chǎn)生以遮罩閘極電極,達(dá)到低QGD和RDS(on)。而超級接面結(jié)構(gòu)毋須增加額外的CDS元件,因此可達(dá)成三種結(jié)構(gòu)中最低的QOSS值。
選擇功率MOSFET結(jié)構(gòu)的重要因素,在于考量該結(jié)構(gòu)是否有助于提高元件性能。若選用橫向或分裂閘結(jié)構(gòu),須考慮在低側(cè)元件應(yīng)用中,是否值得為獲得低QGD和QG而犧牲QOSS性能。這些達(dá)成最佳化的結(jié)果如圖3下半部分所示,QOSS和QG使用5伏特閘極驅(qū)動電壓和12伏特轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行組合。顯然對于同步FET而言,超級接面結(jié)構(gòu)因其固有的低QOSS而具備最佳的綜合性能。此結(jié)果表明,僅藉由達(dá)成最佳化已不足以獲得最低QG和QGD FOM。這種情況更足以證明,溝槽結(jié)構(gòu)中閘極電荷已降至相當(dāng)?shù)停琎G不再扮演低側(cè)元件開關(guān)損耗的主要因素。
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