功率MOSFET設(shè)計(jì)考量

用作功率開關(guān)的MOSFET

隨著數(shù)十年來器件設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，功率MOSFET晶體管帶來了新的電路拓?fù)浜碗娫葱实奶嵘?。功率器件從電流?qū)動(dòng)變?yōu)殡妷候?qū)動(dòng)，加快了這些產(chǎn)品的市場滲透速度。上世紀(jì)80年代，平面柵極功率MOSFET首度面向高壓器件，BVDSS電壓范圍達(dá)到500-600V，取得市場的成功。在這個(gè)時(shí)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(shí)也促使功率MOSFET的BVDSS范圍成功地下降到100V以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了新的汽車電子、電源和電機(jī)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(jì)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(jì)90年代初期平面功率MOSFET技術(shù)的長足發(fā)展之時(shí)，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(biāo)桿。這類溝道MOSFET采用一種嵌入在溝道區(qū)域并細(xì)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(dá)到每平方英寸1200萬個(gè)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(jì)人員面對的挑戰(zhàn)是：技術(shù)提升除了增加單元密度，因?yàn)闁艠O-漏極區(qū)域交疊面積和柵極-源極交疊面積增加，所以同時(shí)引起容抗和柵極電荷的增加。因此，器件設(shè)計(jì)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(jìn)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?fù)涞墓β蔒OSFET優(yōu)化

隨著首批微控制器開始使用有別于計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)力。而且開發(fā)焦點(diǎn)也從AC-DC開關(guān)電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向要求更嚴(yán)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(bǔ)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(dòng)計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，對轉(zhuǎn)換器效率提出了更高求，進(jìn)而推動(dòng)了該技術(shù)的高度演進(jìn)，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(dāng)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(dòng)，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(fù)載上。因?yàn)镸OSFET的主要損耗來自開關(guān)動(dòng)作，而且導(dǎo)通時(shí)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(gè)環(huán)節(jié)交替處于導(dǎo)通狀態(tài)，但導(dǎo)通時(shí)段不能重疊，否則電源和接地間便會(huì)形成所謂直通(shoot-through)，直接造成功率損耗。當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，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(jìn)并明確MOSFET要求后，就能明白器件技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)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(gè)電極，以增加漂移區(qū)電荷，從而降低導(dǎo)通阻抗；并且同時(shí)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。[!--empirenews.page--]

如今，飛兆半導(dǎo)體公司已將上述屏蔽器件的結(jié)構(gòu)發(fā)展到新的精細(xì)水平。特定阻抗，或者說單位面積阻抗，已較上一代產(chǎn)品大幅降低，同時(shí)提高了業(yè)已出色的開關(guān)性能。過去的數(shù)代器件，例如飛兆半導(dǎo)體的領(lǐng)先產(chǎn)品SyncFET，也需要在低側(cè)同步整流器集成一個(gè)肖特基二極管，以降低MOSFET體二極管的死區(qū)時(shí)間(dead-time)傳導(dǎo)損耗，并控制體二極管反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的電壓瞬變。為了省去成本相對高昂的肖特基二極管，最新一代的產(chǎn)品采用二極管正向注入，以求最大限度地減小漏極屏蔽容抗，以及降低屏蔽阻抗等專業(yè)技術(shù)，力爭抑制那些不利的電壓瞬變行為，如漏極電壓過沖(over-shoot)。

如圖3a和3b所示，新產(chǎn)品的電壓過沖和振蕩甚至大大低于采用集成肖特基部件的器件。SyncFET漏極電壓振蕩經(jīng)過阻尼抑制，使該類應(yīng)用中常見的EMI噪聲大大減少。該解決方案具有極其安靜的開關(guān)特性，可以完全省去用來消除振蕩的外部緩沖電路。

圖3：飛兆半導(dǎo)體器件的安靜開關(guān)行為(a)與傳統(tǒng)溝道產(chǎn)品開關(guān)行為(b)的比較

由于器件技術(shù)不斷演進(jìn)，新產(chǎn)品也開始百花齊放。這些產(chǎn)品通過降低MOSFET開關(guān)的功耗來提高性能及電壓轉(zhuǎn)換器的最大輸出電流。目前，SyncFET通常使用三個(gè)毫歐級部件，使多相轉(zhuǎn)換器的每級輸出電流都達(dá)到30A以上。鑒于過去數(shù)代產(chǎn)品的部件之間存在封裝互連阻抗，而這種互連阻抗與當(dāng)今PowerTrench產(chǎn)品的整體阻抗相接近，相比之下，這是一項(xiàng)卓越的成就。封裝互連阻抗降低了八倍，使過去10年來針對半導(dǎo)體阻抗取得四倍的改進(jìn)，結(jié)果使轉(zhuǎn)換器輸出電流增加了一倍。新產(chǎn)品在未來可達(dá)到的進(jìn)展還包括提高工作頻率，使到濾波電感和電容更小，進(jìn)而減少所用的電路板空間。

包含封裝的控制器和(或)驅(qū)動(dòng)電路以及功率開關(guān)的多芯片模塊正在打進(jìn)諸如游戲機(jī)和便攜電腦之類的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場。這些新型部件的優(yōu)勢包括減少電路板的寄生電感因素、避免了分立元件方案所產(chǎn)生的電壓瞬變，以及從轉(zhuǎn)換器剝奪功率的固有弱點(diǎn)，從而延長電池壽命，降低工作溫度，減低輻射噪聲或EMI，并減小電路板尺寸。

封裝和MOSFET器件技術(shù)的進(jìn)步，大多來自于日益增多的仿真技術(shù)的使用，讓工程師能夠開發(fā)創(chuàng)新的解決方案。本文所述的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展就依賴于器件的有限元模擬分析和應(yīng)用的模擬分析，從而對半導(dǎo)體 、封裝、柵極驅(qū)動(dòng)電路和電路板寄生因素間的相互影響有更深入的了解。仿真技術(shù)還能讓人們深入了解器件參數(shù)變化的工藝環(huán)節(jié)，找到最大限度消除這些變化的解決方案。

結(jié)論

要開發(fā)針對高級電源的先進(jìn)功率器件并取得市場佳績，必須考慮和順應(yīng)不斷演進(jìn)的應(yīng)用需求。這需要針對應(yīng)用中的所有元件進(jìn)行大量的優(yōu)化工作，包括功率器件的半導(dǎo)體芯片、封裝、電路板布局，以及轉(zhuǎn)換器的工作頻率。飛兆半導(dǎo)體公司認(rèn)識到這一挑戰(zhàn)，并使用新的設(shè)計(jì)原則來開發(fā)功率MOSFET。飛兆半導(dǎo)體在電源設(shè)計(jì)方面擁有的專業(yè)優(yōu)勢，使其PowerTrench產(chǎn)品功能在業(yè)界穩(wěn)占領(lǐng)先地位。