功率器件VDMOS

VDMOSFET的介绍2018年1月功率MOSFET与普通MOS管的联系如果在漏端加高压，产生以下问题：1、沟道穿通击穿2、栅氧化层击穿3、结击穿通过增加低掺杂的漂移区，让电压绝大部分降落在低掺杂的漂移区上，从而提高沟道穿通击穿、栅氧化层击穿、结击穿DMOS管的分类横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOSFETVDMOSFET的结构•N沟道MOSFET衬底为高掺杂的N+衬底，高掺杂沟道部分的体电阻小。然后上面为为N-的漂移层，上面有两个连续的扩散区P-，沟道在P-区形成。在P-区内部，扩散形成的N+为源极。硅片表面形成栅极氧化物，多晶硅栅极材料沉积后，在连接到栅极的多晶硅层下面，就会形成一个薄的高质量的氧化层，从而产生沟道。功率VDMOSFET的元胞结构•功率VDMOS是由多个元胞并联而成，常用元胞结构有：条形元胞、方形元胞、六角形元胞等•并联的元胞结构可以增大整个器件的导电沟道长度Ｌ，提高器件的电流能力。但是必须保证每个元胞都必须是可靠的，否则一个元胞的失效就会导致整个器件失效。•同时，为了将外延层底部的耗尽层边界平滑收敛到鞋表面，提高器件表面的击穿电压，必须在元胞区域的外围加上终端结构。•而对于同样尺寸的芯片，元胞的尺寸越小，芯片上并联的元胞数量就越多，导通电阻就越小。VDMOSFET的工作原理功率MOSFET截止时：Vds为正向电压，栅极和源极之间的电压为零，由于P基区与N漂移区之间形成的PN结处于反偏状态，所以漏极和源极之间没有电流流过。功率MOSFET导通时：Vgs为正向电压，加在栅极的正电压会将P区中的电子吸引到栅极下的P区表面，而把P区中的空穴推开。当Vgs大于Vth(开启电压)时，栅极下面P区表面的电子浓度会高于空穴浓度，使得P型半导体反型成N型而形成反型层，从而进一步形成N沟道使PN结消失。在漏极和源极之间加上电压Vds，就会形成漏源电流Ids。VDMOS的I-V特性1.截止区:VGSVt，VD虽然增大，但没有形成导电沟道，电流趋近于零2.欧姆区:VGSVt，但VDVGS－Vt，电流随着电压的增加而增加3.饱和区:VGSVt，但VD≥VGS－Vt，导电沟道被夹断，ID达到饱和4.击穿区:当VD≥VBR（漏源击穿电压），电流的增加不受限制，空间电荷区将达到最大宽度5.准饱和区:VGS很大时，ID本身很大，但随VGS的增大没有很显著的增加，这是由VDMOS的寄生JEFT晶体管引起的速度饱和造成6.源漏二极管的正向偏置区:这时源接正电压，漏接负电压，与源相通的PN结上加了正向偏置，电流随电压的增加而急剧增加VDMOS1.阈值电压:使VDMOS沟道反型时栅上所需加的电压，与普通MOS器件相类似:MSB2QVthoxsCin/ln4QAAssNkTNoxoxt/Coxin/NlnkTN4oxtoxVAAsthQs/Cox为氧化层承担的电压，Qs为半导体内总电荷，Cox为氧化层的特征电容，ᶲb为体电势，ᶲms为栅极与半导体的功函数差2.跨导(gm)VDMOS是短沟道器件，有源区中电场强度足够强，跨导可用式表示:CVGSDmDSVI|g跨导是反映栅压对漏源电流影响能力的参量，跨导受多个参数的制约，如果仅从设计角度来说，对gm影响较大的参量有栅氧厚度和外延层浓度。VDMoS在IGHz时的跨导特性:三个阶段:上升期、平稳期、衰减期上升期时：栅压较低，但已经高于闭值电压，沟道己经形成，处于线性区，跨导基本为线性增加平稳期：当沟道中的载流子速度达到饱和后，跨导趋于平稳衰减期:电流都达到了饱和值，栅压的升高失去了对漏源电流的控制能力，因此跨导开始下降3.直流漏源导通电阻RonRs为源区欧姆电阻Rch为沟道电阻Racc为栅电极正下方在层上形成的表面电荷积累层电阻Rj为相邻两P阱间的电阻Repi为轻掺杂漏区电阻，占Ron的比例极大RN+为N+层的导通电阻其中Rs、Rn+可以忽略不计RepiRjRaccRchRonNon(cell)RRepiRjRaccRRchRs4.VDMOS电容的构成主要存在与栅极附近和耗尽层中分为3个部分:Cgs、Cds、CgdCds是一个P-N结电容，它的大小是由耗尽层宽度来决定的Cgs是由3个部分组成的，即Cgs=cgsP+CgsM+CgsN+,主要取决与设计上的介质层的厚度Cgd是2个电容的串联:但一般的功率VDMOS都不是采用这3个电容来做参考的，而是用Ciss、Coss、Crss，来作为评估功率VDMOS器件的电容指标。Ciss，Coss和Crss，参数分别定义为:输入电容：Ciss=Cgs+Cgd输出电容：Coss=Cds+Cgd反馈电容：Crss=Cgd温度特性对VDMOS的影响MOSFET的典型漏源电阻随电流变化的特性曲线电阻随温度的变化随温度的增加，迁移率会减小，Rch，Repi就会增加，因而会限制沟道电流。电阻值增大的同时，也会限制电流的变化，为功率半导体提供了稳定性。跨导随温度的变化：温度增加，gm增加仍保持其线性度漏端电流随温度的变化：在同一栅源电压下，电流随温度的降低而减小，即电流的温度系数为负值，不存在局部热点和电流集中的问题，可以有效避免二次击穿功率MOSFET的安全工作区LDMOS安全工作区域宽，且有效避免了二次击穿总结.高输入阻抗和低驱动功率.开关速度快.温度特性好.具有高度线性化的跨导gmTHANKS！