powermosfetic的结构与电气特性

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1、PowerMOSFETIC的結構與電氣特性PowerMOSFETIC(以下簡稱為MOSFET)廣泛應用在各種電源電路與汽車等領域，雖然最近幾年MOSFET在高速切換(switching)與低ON阻抗化有相當的進展，不過一般認為未來MOSFET勢必會朝高性能方向發展，因此本文要介紹MOSFETIC的構造、電氣特性，以及今後技術發展動向。MOSFETIC的構造圖1是NchannelPowerMOSFETIC的斷面構造，本MOSFET的gate與source之間，亦即gatepad的周圍設有可以防止靜電破壞的保護二極體，因此它又稱為bodydiode。馬達驅動電路與斷電電源供應器(UPS)等DC-A

2、C轉換inverter等應用的場合，保護二極體可以充分發揮它的特性。圖1PowerMOSFETIC的構造圖2是MOSFET的結構分類，由圖可知MOSFET結構上可以分成縱型與橫型兩種type；縱型type還分成平板(planer)結構與溝槽(trench)結構兩種。表1是上述結構特徵與主要用途一覽。　圖2PowerMOSFETIC的分類　構造　縱型　橫型　區分　低耐壓(100V以下)高耐壓(planer)低耐壓高耐壓　特性　planer　trench　耐高壓化　－　－◎　－　△　低ON阻抗化　○　◎△　△　－　低Ciss(低Qg)　○　○○　◎　◎　低Crss(低Qgd)　◎　○○　　◎　◎　

3、特徵　高耐壓、低電流　高速、高頻　用途‧DC-DCconverter‧驅動小型馬達‧汽車電機‧AC-DCswitching電源‧UPS電源‧inverter‧RF增幅輸出(行動電話)數百MHz～數GHz‧高頻電力增幅(基地台設備)表1PowerMOSFET的構造與用途‧縱型構造縱型構造適用於高耐壓/低ON阻抗MOSFET，目前中/高耐壓(VDSS=200V)的MOSFET大多採用縱型結構。雖然部份低耐壓(VDSS=100V)的MOSFET也使用縱型結構，不過一般要求低容量、高速switching特性的場合，平板(planer)結構比較有利；要求低ON阻抗特性時，則以溝槽(trench)結構比較

4、適合。最近幾年製程與加工設備的進步，溝槽結構的MOSFET在低容量化(低Qg，Qgd化)有相當的進展，因此從應用面觀之縱型與溝槽結構的MOSFET，兩者的低容量化特性已經沒有太大差異。如上所述縱型結構的MOSFET具備高耐壓、低ON阻抗、大電流等特徵，所以適合當作switching元件使用。　‧橫型構造橫型構造最大缺點是不易符合高耐壓/低ON阻抗等要求，不過它低容量特性尤其是逆傳達容量(歸返容量)Crss非常小。如圖2(b)所示，gate與source之間的容量被fieldplate遮蔽(shield)，因此結構上非常有利。不過橫型構造的cell面積很大，單位面積的ON阻抗比縱型構造大，因此一

5、般認為不適合switching元件使用，只能當作要求高速/高頻等高頻增幅器常用的輸出控制元件(device)。‧今後發展動向橫型構造比較適用於低耐壓switching元件，主要應用例如驅逐CPUcore的VR(VoltageRegulator)等等。一般認為VR未來會朝向0.8V/150A方向發展，此外為支援遽變負載可作高速應答，例如電流站立應答di/dt=400A/μs的速度特性，未來勢必成為必備條件之一。由於低電壓化需求必需抑制電壓幅寬，相對的電壓變動容許值必需低於數十mA以下，然而複數電容並聯的結果，卻造成電路基板變大等困擾，有效對策是提高電源switching的頻率，也就是說目前200

6、~300kHz的動作頻率，未來勢必將會被2~5MHzCPU驅動用VRB((VoltageRegulatorBlock)取代。此外基於高頻領域的動作性等考量，結構上比較有利的橫型構造則被納入檢討。由於橫型構造屬於source-source，因此要求高速性的highsideswitch已經採用橫型構造，lowsideswitch(整流用)則利用縱型結構將晶片堆疊在同一stem，藉此消除導線電感(inductance)進而形成高性能MOSFET元件。MOSFETIC的應用圖3是MOSFETIC主要用途與今後發展動向一覽；橫軸是元件的耐壓值VDSS，縱軸是元件應用上的動作頻率。　圖3PowerMOSF

7、ETIC用途與發展趨勢(一).電源系統電源系統要求MOSFETIC具備省能源(energy)、高效率、輕巧、小型、低噪訊(noise)、低高頻電流、高可靠性，以及高速負載應答(峰值負載電流)等特性。在switching電源中，進展最快速的是DC-DCconverter與驅動CPU的VR，尤其是驅動CPU的VR，除了低電壓化/大電流化之外，今後更要求小型/高速化(高化)，因此動作頻率(控制IC的PW