MOSFET 培训

功率MOSFET基础AOS上海应用中心刘松PowerMOSFET♦♦内容内容内容内容内容内容内容内容

功率功率功率功率功率功率功率功率MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构

MMMMMMMMOSFETOSFETOSFETOSFETOSFETOSFETOSFETOSFET工作原理工作原理工作原理工作原理工作原理工作原理工作原理工作原理

MMMMMMMMOSFETOSFETOSFETOSFETOSFETOSFETOSFETOSFET重要参数重要参数重要参数重要参数重要参数重要参数重要参数重要参数DrainSourceGateDrainGateSourceCircuitSymbolPackagePinLayout♦♦MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构内部结构

横向导电横向导电((信号信号MOSFETMOSFET））//垂直导电垂直导电（（功率功率MOSFETMOSFET））

垂直导电：平面型和沟槽型垂直导电：平面型和沟槽型Trench(UTrench(U型沟槽和型沟槽和VV型沟槽型沟槽））

功率功率MOSFETMOSFET为多单元集成结构为多单元集成结构PowerMOSFET横向导电横向导电::平面型平面型垂直导电垂直导电::VV型沟槽型沟槽垂直导电垂直导电::平面型平面型垂直导电垂直导电::UU型沟槽型沟槽PowerMOSFET♦♦平面型平面型平面型平面型平面型平面型平面型平面型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET

没有充分应用芯片的尺寸没有充分应用芯片的尺寸没有充分应用芯片的尺寸没有充分应用芯片的尺寸，，，，电流和电压额定值有限电流和电压额定值有限电流和电压额定值有限电流和电压额定值有限没有充分应用芯片的尺寸没有充分应用芯片的尺寸没有充分应用芯片的尺寸没有充分应用芯片的尺寸，，，，电流和电压额定值有限电流和电压额定值有限电流和电压额定值有限电流和电压额定值有限

适合低压应用适合低压应用适合低压应用适合低压应用，，，，如微处理器如微处理器如微处理器如微处理器，，，，运放运放运放运放，，，，数字电路数字电路数字电路数字电路适合低压应用适合低压应用适合低压应用适合低压应用，，，，如微处理器如微处理器如微处理器如微处理器，，，，运放运放运放运放，，，，数字电路数字电路数字电路数字电路

低的电容低的电容低的电容低的电容，，，，快的开关速度快的开关速度快的开关速度快的开关速度低的电容低的电容低的电容低的电容，，，，快的开关速度快的开关速度快的开关速度快的开关速度

增加或减少门极电压会增大或减少增加或减少门极电压会增大或减少增加或减少门极电压会增大或减少增加或减少门极电压会增大或减少增加或减少门极电压会增大或减少增加或减少门极电压会增大或减少增加或减少门极电压会增大或减少增加或减少门极电压会增大或减少NNNNNNNN沟道的大小沟道的大小沟道的大小沟道的大小，，，，以此来控制器件导通以此来控制器件导通以此来控制器件导通以此来控制器件导通沟道的大小沟道的大小沟道的大小沟道的大小，，，，以此来控制器件导通以此来控制器件导通以此来控制器件导通以此来控制器件导通Vdd沟道沟道沟道沟道沟道沟道沟道沟道VddDSGLoadDriverPowerMOSFET♦♦垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET

平面型：具有垂直导电双扩散平面型：具有垂直导电双扩散MOSMOS结构的结构的VDMOSFETVDMOSFETVerticalVerticalDoubleDouble--diffuseddiffusedMOSFETMOSFET，，多个单元结构多个单元结构。。具有相同具有相同RDS(on)RDS(on)电阻电阻MOSFETMOSFET并联并联，，等效电阻为一个等效电阻为一个MOSFETMOSFET单元单元RDS(on)RDS(on)的的11/n/n。。裸片面积越大其导通电阻越低裸片面积越大其导通电阻越低，，但寄生电容越大但寄生电容越大，，因此开关性能越差因此开关性能越差。。很多公司产品采用很多公司产品采用。。

沟槽型沟槽型VV型沟槽：不容易生产型沟槽：不容易生产，，VV尖角容易形成高的电场尖角容易形成高的电场UU型沟槽：平面型的演变型沟槽：平面型的演变，，切开翻转切开翻转9090度度。。栅结构不与裸片表面平行而是构建在栅结构不与裸片表面平行而是构建在UU型沟槽：平面型的演变型沟槽：平面型的演变，，切开翻转切开翻转9090度度。。栅结构不与裸片表面平行而是构建在栅结构不与裸片表面平行而是构建在沟道之中垂直于表面沟道之中垂直于表面，，因此占用空间较少且使电流流动真正垂直因此占用空间较少且使电流流动真正垂直，，最小化基本最小化基本单元面积单元面积，，在相同的占位空间中可以集成更多的单元从而降低在相同的占位空间中可以集成更多的单元从而降低RDS(on)RDS(on)并维持电并维持电容不变容不变。。电流流动垂直PowerMOSFET♦♦垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型垂直导电型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET

平面型：电流电压与通道长平面型：电流电压与通道长,,宽的大小相关宽的大小相关..平面型平面型MOSMOS饱和区特性比沟饱和区特性比沟槽型好槽型好..

沟槽型沟槽型::元件面积与电流成正比元件面积与电流成正比,Epitaxial,EpitaxialLayerLayer厚度与电压成正比厚度与电压成正比..

反转层反转层::InversionInversionLayerLayer

DMOSDMOS::双重扩散双重扩散MOS,MOS,DoubleDoubleDiffusedDiffused

MOSMOS是多子单极型器件是多子单极型器件((无少子无少子),),因此受温度影响小因此受温度影响小,PMOS,PMOS多子是空多子是空穴穴,NMOS,NMOS多子是电子多子是电子,,MajorityMajorityCarrierCarrier穴穴,NMOS,NMOS多子是电子多子是电子,,MajorityMajorityCarrierCarrier

氧化层相当于介电质氧化层相当于介电质DielectricDielectricMaterialMaterial(Dielectric(Dielectricconstant),constant),掺杂掺杂Doged,Doged,高掺杂浓度区域高掺杂浓度区域HeavilyHeavilydopeddopedregionregion..PowerMOSFET♦AOSAOSAOSAOS的的的的MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET

AOSAOS开发出的性能可靠产量高的密集沟槽型开发出的性能可靠产量高的密集沟槽型MOSFETMOSFET

XX射线显示的射线显示的AOSMOSFETAOSMOSFET物理结构物理结构U型沟槽多个单元并联多个单元并联BondingBondingU型沟槽多个单元并联多个单元并联BondingBondingPowerMOSFET♦♦MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET工作原理工作原理工作原理工作原理：：：：功率功率功率功率工作原理工作原理工作原理工作原理：：：：功率功率功率功率MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性

静态特性；其转移特性和输出特性静态特性；其转移特性和输出特性。。漏极电流漏极电流IIDD和栅源间电压和栅源间电压UUGSGS的关的关系称为系称为MOSFETMOSFET的转移特性的转移特性，，IIDD较大时较大时，，IIDD与与UUGSGS的关系近似线性的关系近似线性，，曲线曲线的斜率定义为跨导的斜率定义为跨导GfsGfs

MOSFETMOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性（（输出特性输出特性））：截止区：截止区（（对应于对应于GTRGTR的截止的截止区区））；饱和区；饱和区（（对应于对应于GTRGTR的放大区的放大区））；非饱和区；非饱和区（（对应于对应于GTRGTR的饱和的饱和区区））。。电力电力MOSFETMOSFET工作在开关状态工作在开关状态，，即在截止区和非饱和区之间来回即在截止区和非饱和区之间来回区区））。。电力电力MOSFETMOSFET工作在开关状态工作在开关状态，，即在截止区和非饱和区之间来回即在截止区和非饱和区之间来回转换转换。。电力电力MOSFETMOSFET漏源极之间有寄生二极管漏源极之间有寄生二极管，，漏源极间加反向电压时漏源极间加反向电压时器件导通器件导通。。电力电力MOSFETMOSFET的通态电阻具有正温度系数的通态电阻具有正温度系数，，对器件并联时的对器件并联时的均流有利均流有利。。转移特性输出特性DSGPowerMOSFETMOSFET的avalanche击穿电压总是大于标注的额定电压由于正常生产中的余量控制为了保证可靠性，在最坏的工作条件下，工作电压不要大于额定值。最大的Tracerwaveform结温升高，BV线性增加为了保证可靠性，在最坏的工作条件下，工作电压不要大于额定值。最大的电压不要超过额定值的70~90%，降额使用。MOSFETMOSFET的静态参数的静态参数PowerMOSFETTj必须总低于150ºC。大多可靠性测试在最大结温进行如HTRBHighTemperatureReversedBias和HTFBHighTemperatureForwardBias。这些测试结果用作计算不同可靠性模式的加速因子的输入信息。如由理论模式，减小结温30°C将提高MTBF一个数量级。代表最小的器件使用时间。在此条件下工作保证结温低于Tjmax可提高长时间工作的寿命。thJCthJCtotRRTP25125−=Δ=TT25150−−由Ptot和Rdson及线直径限制（避免fuse效应）thJCthJCCJtotRRTTP25150max−=−=thJCTonCJRRTTIJ•−=max@max2@maxIRPJTontot•=MOSFETMOSFET的静态参数的静态参数PowerMOSFET♦热阻
此参数表明热量从A点到B点流动的难易程度。小RTH表明热量从A点流动到B点时，产生很小的温度差异。大的RTH表明当同样的热量从A点流动到B点时，产生很小的温度差异。大的RTH表明当同样的热量从A点流动到B点时，产生很大的温度差异。热阻定义为：
从硅片到空气热链路：硅片-封装-散热器-空气。
硅片-封装热链路：硅片-框架-封装。
封装-散热器加绝缘片,封装-散热器-空气热链路：封装-绝缘片-散热器-空气
Rjc:针对有铜片e-Pad的封装,如Ultra-SO8,DFN5*6，热阻是从晶元到铜片
RjL:针对fq无铜片e-Pad的封装,如SO8,SOT23，热阻是从晶元到管脚dissABABthPTTR−=−)(DSGPowerMOSFETRRDS(onDS(on））有正温度系数有正温度系数RRDS(onDS(on））对于对于IdId并不恒定并不恒定PowerMOSFETMOSFETMOSFET的的SOASOANormalizedMaximumTransientThermalImpedanceMaximumForwardBiasedSafeOperati