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功率 MOSFET 基礎:了解 MOSFET 與 品質(zhì)因數有關(guān)的特性

簡(jiǎn)介 功率 MOSFET 已經(jīng)變成了標準選擇,被廣泛用作低壓 (<200V)開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)轉換器應用的主開(kāi)關(guān)器 件。然而,利用制造商提供的數據手冊為特定電路拓撲選擇 合適的器件卻變得越來(lái)越困難。MOSFET 的主要選型標準是 與 MOSFET 有關(guān)的功率損耗 (與 SMPS 的總效率有關(guān))和 MOSFET 的功耗能力 (與封裝的最高結溫和熱性能有關(guān))。 本應用指南重點(diǎn)介紹了 MOSFET 的基本特性和知識。 有幾個(gè)影響 MOSFET 柵極的因素,并且在解釋 MOSFET 特 性之前,有必要了解器件結構方面的基礎知識。本應用指南 詳細介紹了溝槽 MOSFET 結構的基本結構,進(jìn)而確定了寄生 元件,定義了相關(guān)術(shù)語(yǔ)。還介紹了如何以及為何會(huì )產(chǎn)生寄生 參數。由于具有各種拓撲、開(kāi)關(guān)速度、負載電流和輸出電壓, 所以不可能確定能夠在較寬的電路條件范圍內實(shí)現最佳性能 的通用 MOSFET。某些情況下以導通電阻(RDS(on))損耗為 主,而其它情況下則以瞬態(tài)電流和電壓波形的開(kāi)關(guān)損耗或與 器件柵極驅動(dòng)有關(guān)的損耗為主。并且,還證明 (1)(2) 了輸入和 輸出電容也可以是主要損耗。
MOSFET 選型所用的品質(zhì)因數簡(jiǎn)介
器件制造商還規定了不同靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的 MOSFET 參 數,讓設計者難于進(jìn)行同類(lèi)產(chǎn)品對比,從而讓情況變得更加 混亂。因此,唯一正確的、選擇合適的 MOSFET 的方法是在 MOSFET 應用電路內比較所選器件。 有幾種方法可以讓設計者對比適于特定應用的 MOSFET,雖 然有時(shí)難于實(shí)現。其中一種方法就是根據品質(zhì)因數來(lái)評估 MOSFET。在最簡(jiǎn)單的形式中,品質(zhì)因數會(huì )在給定的 RDS(on) 下比較柵極電荷 (Qg)。乘積結果與某項器件技術(shù)有關(guān),它 能夠實(shí)現所需的 RDS(on) 或 Qg。然而,RDS(on) 越低,柵極電 荷越高。類(lèi)似的器件對比方法為 “Baliga 高頻品質(zhì)因數” - BHFFOM(1),它假設主要開(kāi)關(guān)損耗與輸入電容 (Ciss)充 / 放 電 有 關(guān)。第 三 種 方 法 是 使 用 “新 高 頻 品 質(zhì) 因 數” - NHFFOM(2),它假設主要開(kāi)關(guān)損耗因輸出電容 (Coss)充 / 放電而起。后 2 種方法適于要在其中實(shí)現 MOSFET 的應用。 然而,這些方法只允許進(jìn)行同類(lèi)產(chǎn)品對比,用戶(hù)無(wú)法利用它 們確定具有某一品質(zhì)因數的器件是否就一定比具有另一品質(zhì) 因數的不同器件好。 Vishay Siliconix 系列 30V SO-8 N- 溝道 MOSFET 樣品的品 質(zhì)因數 Qg x RDS(on) 如圖 1 所示。例如,在某些開(kāi)關(guān)應用中, Si4888DY 可能優(yōu)于 Si4842DY,但是不可能利用該圖 - 或者 其它采用了更復雜的品質(zhì)因數的圖 - 來(lái)客觀(guān)地確定最適于特 定應用的器件。
圖 1 - Vishay Siliconix N- 溝道 30V SO-8 MOSFET 的 圖典型品質(zhì)因數
MOSFET 結構 大多數 MOSFET 參數和溝槽 MOSFET 的寄生參數的一般定 義如表 1 所示。
MOSFET 結構
任何功率 MOSFET 器件的基礎都源于垂面 DMOS 技術(shù)。電 源產(chǎn)生的電流沿著(zhù)表面橫向流動(dòng),然后轉向并沿著(zhù)垂直方向 從相鄰體擴散之間的表面流走,穿過(guò)外延漏區、流入基片、再 流出背面的晶圓。沿平面在多晶硅柵層下形成溝道。然而,與 溝槽結構相比,平面結構的單元密度有限,因為在超高單元 密度下, JFET 夾斷效應 (1) 會(huì )增加器件導通電阻。 由于這類(lèi)電氣與幾何限制,不僅無(wú)法保證將平面 DMOS 單元 密度進(jìn)一步提高到 3000 萬(wàn)單元 / 平方英寸以上,而且還極有 可能降低性能。只有消除夾斷效應,才能通過(guò)減少單元數量 大幅降低 MOSFET 導通電阻。
為了克服平面夾斷問(wèn)題, Vishay Siliconix 器件的設計者實(shí)現 了溝槽柵垂直功率 MOSFET 或 TrenchFET。不是沿表面導 電, TrenchFET 通過(guò)沿著(zhù)蝕入芯片的溝槽側壁垂直形成的溝 道導電。 溝槽 DMOS 橫截面如圖 2 所示。利用類(lèi)似于平面 DMOS 的 封閉單元模式,溝槽形成了一個(gè)環(huán)繞硅島的柵極。每個(gè)硅島 都是雙擴散溝道區和發(fā)生相關(guān)源極擴散的地方。 溝槽被氧化,然后用導體填充,最后被展平以形成器件柵極。 利用這項溝槽技術(shù),可以在不產(chǎn)生JFET夾斷效應的情況下提 高單元密度,同樣可以實(shí)現高單元密度 (>2 億單元 / 平方英 寸)。提高到該單元密度水平是很有益的,這樣就可以創(chuàng )建一 系列能夠均衡超低導通電阻、柵極特性和成本的器件。然而, 單位晶圓上晶片數量的增加(會(huì )提高成本優(yōu)勢)和 RDS(on) 降 低 (會(huì )提升性能)仍然是 2 大優(yōu)勢。 密度為 1.78 億單元 / 平方英寸的 MOSFET 溝槽晶片的橫截面 如圖 3 所示。這部分穿過(guò)了區內的超高密度晶圓,展示了高 密度單元擴展。為了實(shí)現這種單元數字,重點(diǎn)需要放在橫向 和垂直單元擴展上,這樣不僅可以?xún)?yōu)化 RDS(on),還可以?xún)?yōu)化 柵極特性。 隨著(zhù)設計用于提高單元密度的橫向擴展的發(fā)展,相關(guān)電容 (如圖 3b 所示)得到了改善,從而加強了快速開(kāi)關(guān),這對于 高頻操作 (>400kHz)是不可或缺的。此外,在輕電流負載 下,柵極驅動(dòng)損耗成了影響總系統效率的重要因素,所以必 須考慮柵極電容。 通過(guò)改善垂直擴展,降低了電容,進(jìn)而降低了 RDS(on)x Qg 值 (低于 100 (m Ω x nC))。
溝槽 DMOS 3D 橫截面和相關(guān)電阻元件
 溝槽 DMOS 3D 橫截面和相關(guān)電阻元件
DMOS溝槽MOSFET的導通電阻是活動(dòng)載流子必須流經(jīng)的各 個(gè)區域的電阻之和 (如圖 2 所示)。

應該注意的是,對于平面 MOSFET 而言,RRDS(on) 值還包含 JFET 元件電阻。 MOSFET 的寄生電容 N-溝道MOSFET的簡(jiǎn)圖如圖4所示,其中三個(gè)電容,即Cgd、 Cds 和 Cgs,代表寄生電容。這些數值可以計算出輸入電容、 輸出電容和反向傳輸電容,如表 1 所述。
圖 4 - N 溝道 MOSFET 的簡(jiǎn)化等效電路 (標有寄生電容、 npn 晶體 管和 Rb 電阻)
圖 5 - 柵漏極電容與漏源極電壓關(guān)系圖
然而,應該注意的是,由于等效電路不光包含 1 個(gè)電阻和 3 個(gè)電容,而是要復雜得多,所以這些電容只可用于了解開(kāi)關(guān) 瞬態(tài)的特性。 柵漏極電容 Cgd 和柵源極電容 Cgs 屬于壓敏電容,因此電容 值隨施加在漏源極和器件的柵源極上的電壓而變。Cgd的變化 比 Cgs 大得多,只不過(guò)是因為其上施加的電壓比 Cgs 上的大 得多。Cgd 的變化 (1) 如圖 5 所示,可能高達 100 倍,通常接 近于 2 個(gè)靜態(tài)值。這些電容變化會(huì )影響施加在器件柵極上的 電壓,從而形成米勒平臺 (1)。這會(huì )在發(fā)生開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)產(chǎn)生斷 開(kāi)和接通上升與下降時(shí)間,還會(huì ) “拉平”柵極電壓,如圖 6 所示。
 6- 柵漏極電容與漏源極電壓關(guān)系圖
結論 本應用指南是一系列介紹在開(kāi)關(guān)模式電源內實(shí)現的功率 MOSFET 的基本特性與工作性能的技術(shù)文檔中的第一部。本 應用指南旨在向讀者全面介紹 Vishay Siliconix MOSFETs 所 采用的器件技術(shù)。 FOM 本身不能讓電源設計者選出理想器件,但卻概括了器件技術(shù)和可能實(shí)現的性能。要進(jìn)行可靠的主觀(guān)分析,則必須修 改每個(gè) FOM,以便包含 MOSFET 應用方面的信息。因此, 本應用指南定義了為特定應用選擇合適的器件時(shí)需要考慮的 主要特性 (表 1)。
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