原创功率MOSFET发展方向

 2012-7-26 11:50  1075 12 12 分类: 消费电子

　　1）高压和超高压方向。希望器件能有较高的耐压，但仍有较低的通态电阻或通态压降。由于这种类型的器件通常有较厚的低掺杂外延层以承受高耐压，所以外延层漂移电阻在通态电阻中占有决定性的地位（见表1）。这类器件最为典型的就是超级结MOSFET，也称为CoolMOS。这方面另有专文叙述。

　　2）低压和超低压方向。对器件承受耐压能力要求相对不高，但是要求器件有极低的通态电阻和较高的开关速度，这是目前MOSFET 发展更为主导的方向。这类器件由于耐压要求不是很高，所以外延层可以做的较薄或者掺杂浓度可以较高，因此漂移区电阻所占比例减小，而沟道电阻对通态电阻产生的影响明显增大（见表1）。为实现器件极低的通态电阻，要求每个MOSFET 由更多更小的原胞组成，这就要求其工艺精度必须向亚微米甚至深亚微米方向发展。此类器件最典型的应用就是在4C 产业中，即Communication，Computer，Consumer，Car（通信，电脑，消费电器，汽车）。

　　近些年来，随着4C 产业的蓬勃发展，激烈的市场竞争要求产品向高性能和超小型化发展，这对用于其中的微处理器提出了严格的要求。新一代微处理器的工作频率已经由MHz级转向GHz 级，工作电压降到1.3V 左右，工作电流高达20A。对于为其供电的降压型电源电路来说，需要其具有更高的效率，而且电路上每部分的功耗都尽可能的小。以为最新型微处理器供电的单相同步降压型变换器为例（见下图），其典型输入电压为7.5V 到21V，输出电压约为1.3V，电路中控制和整流用的功率器件普遍采用30V 的MOSFET。电路中Q1 为高侧MOSFET，也称为控制管（ControlFET），其通/ 断时间比决定降压量。由于高侧MOSFET 只是在很少的时间内导通，所以其开关损耗远大于传导损耗。这样，降低器件开关损耗比降低通态电阻更为重要。在开关过程中，MOSFET 需要承受一定的电压和传输电流，这个电压和电流的乘积决定了MOSFET 的峰值功率损耗，因此开关时间越短功率损耗越小，所以要求Q1 必须有较高的开关速度。在选择高侧MOSFET 时，应选择具有较低栅极电荷和栅－漏电容的器件，这两个指标比低通态电阻更为重要。电路中Q2 为低侧MOSFET，也称为同步整流管（SyncFET），它在Q1 关断期间为电感续流。由于转换器要求低侧MOSFET 在大部分时间导通，所以其传导损耗远高于开关损耗。因此要求低侧MOSFET 必须拥有极低的通态电阻，以减小导通状态下的静态功耗。

图为微处理器供电的单向同步降压型　Buck电路

　　对于高侧和低侧功率MOSFET 来说，有两个参数极为重要。一个是漏源通态比电阻（specific on-resistance）Rds（on），另一个是单位面积栅极电荷Qg。减小Rds（on）有利于减小器件的通态功耗，降低Qg 有利于减小器件的动态功耗。但是，现在很难对两个参数同时进行大幅度的优化，这是因为以现有的工艺，优化其中的任何一个参数必将对另一个参数带来一定不利的影响。为了准确比较和评价功率器件的性能，现在公认使用优值FOM（Figure ofMerit，FOM=Rds（on）×Qg）这一参数作为衡量器件性能的指标。由于漏源通态比电阻与单位面积电荷的乘积消除了芯片面积，所以优值FOM 与芯片面积无关，因而适于对不同电流规格MOSFET 的性能先进性进行统一比较。目前功率MOSFET 的发展方向就是努力改善器件的优值，形成漏源通态比电阻和单位面积栅极电荷的良好折衷。

　　虽然高侧和低侧功率MOSFET 均要求有较低的FOM，但是它们对于器件参数的要求是有所偏重的。高侧功率MOSFET 由于需要有较高的开关速度所以着重要求单位面积栅极电荷Qg 较低。而低侧功率MOSFET 由于需要减小静态功耗所以着重要求器件漏源通态比电阻Rds（on）较低。近些年国际上众多公司和学者都在针对进一步减小Qg 和Rds（on）进行研究，有大量相关的专利和论文。本篇主要针对用于低侧的超低压MOSFET 对国际上用以改善Rds（on）的新工艺和新方法做一简要的阐述。