功率MOSFET及其发展浅说.doc

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1、功率MOSFET及其发展浅说ElementaryIntroductionofPowerMOSFETandIt'sDevelopment国际整流器（IR）公司高级技术顾问张为佐　　　近年来作了多次关于功率半导体器件发展趋势的报告，许多朋友都希望我讲得更详细些，或更能符合应用工作者的口味，因而撰写一篇现代功率半导体器件浅说的想法由来已久。只是由于设想太大，久久未能动笔。现在从功率MOSFET写起，作为现代功率半导体器件浅说之一，以后再接着写之二、之三，这样就免于搁浅。本文是一种尝试，希望能使读者对现代功率半导体器件的发展有较深入的理解，能更主动地以新一代的器件去改进自己的电路

2、。既是一篇浅说，就需要把基本原理讲得尽可能浅显些。使大家像读故事书那样把技术弄清楚。有的解释或许不够严格。如果我忽略了一些主要的东西，希望读者能协助我予以改正。由于世界市场的激烈竞争，各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新的设计、改进新的工艺、开发新的产品。好些产品甚至每个季度都有新的发展，品种的更新换代几乎到了使人眼花缭乱的程度。因此详细介绍器件发展的新趋势，就显得更为必要了。本文从功率MOSFET开始来介绍现代功率半导体器件，这是因为功率MOSFET是新一代功率半导体器件的起点。同时，从器件的结构来说，功率MOSFET也属于最基本的结构之一。图1所示为IR功率MO

3、SFET的基本结构。图中每一个六角形是一个MOSFET的原胞（cell）。正因为原胞是六角形的（hexangular）,因而IR常把它称为HEXFET。功率MOSFET通常由许多个MOSFET原胞组成。已风行了十余年的IR第三代（Gen－3）HEXFET每平方厘米约有18万个原胞，目前世界上密度最高的IR第八代（Gen－8）HEXFET每平方厘米已有1740万个原胞。这就完全可以理解，现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当。新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代。图1   图1中已标明了漏（Drain）和源（Source）。漏源之间的电流通过一个沟道（Chann

4、el）上的栅（Gate）来控制。按MOSFET的原意，MOS代表金属（Metal）－氧化物（Oxide）－半导体（Semiconductor），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）。FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管）的名字也由此而来。然而我们从图1中可以看到，HEXFET中的栅极并不是金属做的，而是用多晶硅（Poly）来做栅极，这也就是图中所注明的硅栅极（SiliconGate）。IR在1978年时是用金属做栅极的，1979年的Gen－1HEXFET是世界上第一个采用多晶硅栅极的多原胞型功率MOSFET。作为

5、功率MOSFET来说，有两项参数是最重要的。一个是Rds(on),即通态时的漏源电阻。另一个是Qg，即栅极电荷，实际即栅极电容。栅极电容细分起来可分成好几个部分，与器件的外特性输入与输出电容也有较复杂的关系。除此之外有些瞬态参数也需要很好考虑，这些我们留到后面再谈。1通态漏源电阻Rds(on)的降低   为降低Rds(on)，先要分析一下Rds(on)是由哪些部分组成。图2列出了芯片中的各部分的电阻。这些电阻主要包括：   RCH：沟道电阻，即栅极下沟道的电阻。   RJ：JFET电阻，即把各原胞的P－基区（P－Base）所夹住的那部分看为JEFT。JEFT是结型场效应晶

6、体管（JunctionFET）的简称。结型场效应管是以PN结上的电场来控制所夹沟道中的电流。虽同称为场效应晶体管，但它和MOSFET是以表面电场来控制沟道中的电流情况不同，所以MOSFET有时也被称为表面场效应管。图2RD：漂移层电阻，主要是外延层中的电阻。一般做功率MOSFET都采用外延片。所谓外延片即在原始的低阻衬底（substrate）硅片上向外延伸一层高阻层。高阻层用来耐受电压，低阻衬底作为支撑又不增加很多电阻。对MOSFET来说，载流子（电子或空穴）在这些区域是在外界电压下作漂移（Drift）运动，故而相关的电阻称为RD。若要求MOSFET的耐压高，就必须提高高

7、阻层（对N沟道MOSFET来说，称N－层）的电阻率，但当外延层的电阻率提高时，RD也随之提高。这也是很少出现一千伏以上的高压MOSFET的原因。（1）降低沟道电阻首先我们来看如何降低沟道电阻。前面已经提到，当前功率MOSFET发展的一个重要趋势就是把单个原胞的面积愈做愈小，原胞的密度愈做愈高，其原因就是为了降低沟道电阻。为什么提高原胞的密度可降低沟道电阻呢？从图一可以看出：HEXFET的电流在栅极下横向流过沟道。其电阻的大小和通过沟道时的截面有关。而这个截面随器件内原胞周界的增长而增大。当原胞密度增大时，在一定的面积内，围绕着