功率mosfet的终端耐压特性分析

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1、万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第1页1．1研究背景及意义第一章绪论功率半导体器件(PowerSemiconductorDevcice)是一类电力电子器件的总称，主要应用于电力电子设备的电能管理与电能控制，通常能够承受数百伏以上的大电压以及数安以上的大电流【l】。电力电子技术的起步，源自1958年通用电气公司首次研制出工业用普通晶闸管[2】。此后，电能的管理与功率的控制随着功率半导体器件的发展得到不断的进步与优化。从20世纪40年代的功率型二极管，到当今最热门的功率MOSFET，功率半导体器件的应用己从传

2、统的工业应用迅速发展到4C产业[31(计算机、汽车电子、消费类电子、通信)，并逐渐渗透到国民经济与国防建设中的各个领域，如图1．1所示，根据耐压与导通电流的不刚4J，功率半导体器件广泛应用于电源管理、显示设备、照明等不同的领域。电压范围【V)图1-1功率半导体器件在不同电压、电流范围下的应用功率MOSFET作为功率半导器件的重要分支，由于其具有高输入阻抗、低导通电阻、负的温度特性以及很好的热稳定性等特点【5l，自诞生以来，就得到了业内的广泛关注，如今人们可以在各类电力电子产品中看见它的身影：开关电源、汽车电子、

3、马达万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第2页驱动、工业控制、电机调速、音频放大、高频振荡器、不间断电源、节能灯、逆变器笙【l，6，71口。作为一种电能处理的半导体产品，功率MOSFET可实现多种电能管控应用，实际上，无论传统的水电，火电亦或是更加清洁环保的风电，太阳能电，大部分电能都无法直接供设备使用，研究表明‘7，8175％以上的电能须经过功率半导体变化以后才能够与设备匹配，同时功率MOSFET的应用也可使电能的使用更高效、更节能、更环保。例如高性能的功率MOSFET实现了空调的变频功能，在节能70％的同

4、时，也更安静，更舒适。由于其广泛的应用于生产生活的各个方面，半导体功率器件拥有广阔的前景与市场，据CCID的统计【312011年全球功率器件市场的销售额为305．5亿美元，与2010年相比，市值增长了4．2％，中国作为目前全球最大的功率器件应用市场，其市场规模于2011年达到了1067．9亿元。可以预见，随着电力电子产品更加重视节能、高效，功率半导体器件的市场潜力依然巨大，有待挖掘。同时，随着电力电子市场的日益蓬勃，对各种高性能的电力电子器件的需求也日益增大，然而这类器件由于技术含量高，对生产的工艺要求苛刻，且

5、国内外设计水平的悬殊，很多高中端的半导体功率器件器件必须通过进口，严重阻碍了国内电子电力产业的发展，其中功率MOSFET做为高市场份额的产品，研发优良性能的功率MOSFET既能打破国外厂商在高中端产品的垄断优势，又能够满足国内电子电力产业的自由发展的需要，因此具有良好的理论与实践意义。1．2功率MOSFET的研究现状功率金属氧化物半导体场效应晶体管(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)一般简称为功率晶体管(PowerMOSFET)，其主要应用于LE

6、D电源、电动汽车、服务器、通信设备等消费类电子设备中，在功率半导体器件市场上占据了主导地位，此外作为一种单载流子器件，功率MOSFET具有更快的响应速度，可广泛应用于高频设备。首先功率MOSFET按电流的流动方向可以分两种：一种是电流在半导体内平行于硅表面流动的，称为水平双扩散金氧半场效应晶体管(1ateraldouble-diffusedMOSFET，LDMOS)；另一种是电流在半导体内垂直于硅表面流动的称为垂直双扩散金氧半场效应晶体管(verticaldouble。diffusedMOSFET，VDMOS)

7、“3。其中LDMOS作为早期出现的功率器件由于其在高压功率集成电路中能满足耐高压，实现功率控制，且与传统万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第3页CMOS工艺兼容而被广泛应用，图1-2⋯为典型的LDMOS结构图，但LDMOS也存在着明显的缺点，为了提高电压的承受度，势必要以浪费芯片面积和增加导通电阻为代价，令源极与漏极之间的漂移区长度增加，此外LDMOS的生产工艺与通用Ic的制程工艺兼容，从制造的角度讲无法改变LDMOS的故有寄生电容值“1。■墨■■臣一]r静●■，}：坐N+-0u硅细协图1-2LDMOS结构

8、图垂直式的功率MOSFET的研发起步于上世纪70年代，其结构如图1-3所示，源极置于顶部，漏极置于底部的设计保证了电流在导通电压下的自下而上流动，与前者相比，垂直式功率MOS的优点显而易见：纵向的导通设计保证了器件耐压的同时可以大大减小芯片的面积与单位导通电阻，但其缺点是与传统的集成电路工艺不兼容【”】。1976年Siliconix与IR公司推出了垂直导通的v型槽结构功率MOSFET(