用作功率開(kāi)關(guān)的MOSFET
隨著數(shù)十年來(lái)器件設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，功率MOSFET晶體管帶來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管(JFET)阻抗和外延阻抗(參見(jiàn)圖1),。隨著半導(dǎo)體行業(yè)光刻設(shè)備越來(lái)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?xún)?nèi),，實(shí)現(xiàn)了新的汽車(chē)電子、電源和電機(jī)控制應(yīng)用,。高壓MOSFET的傳導(dǎo)損耗問(wèn)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(chǎng)對(duì)更高性能器件的需求。
上世紀(jì)90年代初期平面功率MOSFET技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展之時(shí),，出現(xiàn)了一類(lèi)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(lèi)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(wàn)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(duì)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(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗。飛兆半導(dǎo)體公司于1998年推出一種專(zhuān)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(guò)七代改進(jìn)優(yōu)化，演變?yōu)樽钚碌?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/降壓轉(zhuǎn)換器" title="降壓轉(zhuǎn)換器" target="_blank">降壓轉(zhuǎn)換器部件,。
針對(duì)同步整流拓?fù)涞墓β蔒OSFET優(yōu)化
隨著首批微控制器開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)功率器件發(fā)展的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)力。而且開(kāi)發(fā)焦點(diǎn)也從AC-DC開(kāi)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(kāi)關(guān)功率MOSFET來(lái)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(duì)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(duì)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(kāi)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(lái)自開(kāi)關(guān)動(dòng)作,，而且導(dǎo)通時(shí)間很短,，所以開(kāi)關(guān)器件速度要夠快，而且導(dǎo)通阻抗要夠小,。開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)瞬變速率,。如果柵極電壓超過(guò)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(guò)增加溝道的寬度/長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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。
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(shuō)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(kāi)關(guān)性能。過(guò)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(duì)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(zhuān)業(yè)技術(shù)，力爭(zhēng)抑制那些不利的電壓瞬變行為,，如漏極電壓過(guò)沖(over-shoot),。
如圖3a和3b所示，新產(chǎn)品的電壓過(guò)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(guò)阻尼抑制,，使該類(lèi)應(yīng)用中常見(jiàn)的EMI噪聲大大減少。該解決方案具有極其安靜的開(kāi)關(guān)特性,，可以完全省去用來(lái)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(kāi)關(guān)行為(a)與傳統(tǒng)溝道產(chǎn)品開(kāi)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(kāi)始百花齊放,。這些產(chǎn)品通過(guò)降低MOSFET開(kāi)關(guān)的功耗來(lái)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(jí)部件,，使多相轉(zhuǎn)換器的每級(jí)輸出電流都達(dá)到30A以上,。鑒于過(guò)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(guò)去10年來(lái)針對(duì)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(lái)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(kāi)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(lèi)的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng),。這些新型部件的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(lái)自于日益增多的仿真技術(shù)的使用,，讓工程師能夠開(kāi)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(lài)于器件的有限元模擬分析和應(yīng)用的模擬分析，從而對(duì)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(kāi)發(fā)針對(duì)高級(jí)電源的先進(jìn)功率器件并取得市場(chǎng)佳績(jī)，必須考慮和順應(yīng)不斷演進(jìn)的應(yīng)用需求,。這需要針對(duì)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(shí)到這一挑戰(zhàn),，并使用新的設(shè)計(jì)原則來(lái)開(kāi)發(fā)功率MOSFET,。飛兆半導(dǎo)體在電源設(shè)計(jì)方面擁有的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，使其PowerTrench產(chǎn)品功能在業(yè)界穩(wěn)占領(lǐng)先地位,。