1、Delta ConfidentialPower MOSFET Application NotesTranslated by 何起富何起富Power MOSFET應用注意事項 -摘自Fairchild Application Note 7500 Rev.A &Application Note 9010 Rev.DDelta Confidential 引言引言(Introduction) Power MOSFET(功率型金屬氧化物半導體場效應晶體管)的工作原理，規格及性能均有異於雙極性的晶體管。事實上，Power MOSFET在性能上總體來講要優於雙極性的晶體管。在很寬的溫度范圍內都能保持穩定的增
2、益及響應時間.極快的開關速度;隻需簡單的驅動電路;免除或大大降低了二次擊穿的危險；可以並聯起來使用;Delta Confidential 特性總介（特性總介（General Characteristics）傳統的n-p-n型bipolar transistor是一種current-driven的元件，它的3個管腳（base,emitter&collector)通過合金金屬線的接觸直接與silicon dice相連。Delta Confidential 特性總介（特性總介（General Characteristics）Bipolar transistor被視作是一種少數載流子的器件，在這種器件
3、裡面，注入的少數載流子被多數載流子中和掉。這種中和作用的一個缺陷就是它會限制器件本身的工作速度。而且由於它用電流驅動base-emitter作為input,所以bipolar transistor對於其驅動電路來講會呈現一個較低的阻抗。在絕大多數的電源電路中，這種低阻抗的的input端需要較為復雜的驅動電路Delta Confidential 相對而言，Power MOSFET是一種voltage-driven的器件，它的gate極(如圖Figure 1(a),跟其silicon body本身由一層薄的的SiO2隔離而保持電氣上的絕緣。作為一種多數載流子的半導體器件，MOSFET較之於bipo
4、lar transistor來講具有快得多的工作速度，因為在工作過程中不存在charge-storage的現象。MOSFET是一種電壓控制型的器件，它有一個具電氣隔離的gate極，採用多數載流子的方式由source極流到drain極。特性總介（特性總介（General Characteristics）Delta Confidential 當一個正電壓加在一個n型MOSFET的gate極上的時候，會在gate極下面的通道區域內形成一個電場；那就是說，這種gate極上的electric charge的作用會導致p區位於gate極下面的那一部分會轉換成n型區（如圖figure1(b)所示）MOSFE
5、T工作時的關鍵是當電壓加在gate極的時候，在gate極下面的區域會形成一個inversion的通道特性總介（特性總介（General Characteristics）Delta Confidential 這種轉換的現象，稱為surface-inversion現象，這樣，電流就可以通過這個n型區從drain極流到source極。實際上，在這種狀態下，MOSFET不再是一個n-p-n型的器件。處在drain極和source極的這個區域可被視為是一個電阻，盡管它不象傳統電阻那樣表現出線性的狀態。正是由於這種surface-inversion的現象，MOSFET的工作原理才徹底地與bipolar t
6、ransistor不一樣，bipolar transistor在任何時候都保持其n-p-n的特性。特性總介（特性總介（General Characteristics）MOSFET工作時的關鍵是當電壓加在gate極的時候，在gate極下面的區域會形成一個inversion的通道“電阻”Delta Confidential 特性總介（特性總介（General Characteristics）MOSFET發展的前身：JFETNo isolation layer 無絕緣層?摻雜了摻雜了幾價原幾價原子子Delta Confidential 特性總介（特性總介（General Characteristic
7、s）JFET耗盡型MOSFETDelta Confidential 特性總介（特性總介（General Characteristics）增強型MOSFETDelta Confidential 特性總介（特性總介（General Characteristics）*如何形成一個通道*電容效應Delta Confidential 正是由於有這樣一個electrically-isolated的gate極的緣故，MOSFET被稱之為具有高輸入端阻抗，voltage-controlled型的器件；反觀bipolar transistor則是低輸入端阻抗，current-controlled型的器件。作為一
8、個多數載流子的半導體器件，MOSFET不需經過一個charge的階段,所以其開關速度遠快於bipolar transistor.多數載流子的半導體器件在溫度升高的時候其多數載流子的速度會趨緩。這種效應，會帶來另外一種稱之為carrier mobility的現象（在這裡mobility是用來定義當電場存在的情況下，多數載流子的平均流動速率），這種現象可以使MOSFET在溫度上升時具有更高的阻抗，可以更好地免除當溫度runaway的時候像bipolar元件一樣遇到的麻煩。特性總介（特性總介（General Characteristics）Delta Confidential 在做成MOSFET的制
9、程中會產生一個有用的副產品，這是在source極和drain極內部寄生的一個diode,如圖Figure(c)所示(除bipolar darlington transistor之外，一般的bipolar transistor並不具備類似的等效diode),它的這種特性使其在inductive-load開關切換的情況下可以充當一個穩壓的二極管。由於MOSFET本身的結構，在器件內部會寄生一個diode,設計者在實現某些電路功能的時候可以充分利用這個diode特性總介（特性總介（General Characteristics）有一個寄生的BJT和一個DIODEDelta Confidential
10、結構（結構（Structure）以Fairchild的Power MOSFET為例，是採用垂直式double-diffused制程來做成的，稱為VDMOS或簡稱為DMOS。DMOS MOSFET是由單晶silicon chip 組成。這種單晶的silicon chip由許多結構緊湊，六角形的cell組成。Cell數目的多少主要取決於silicon chip的尺寸大小。例如，一個120-mil sqt的chip包含大約5，000個cell;一個240-mil sqt的chip擁有超過25，000個cell.Delta Confidential 採用multiple-cells這樣的結構其中的一個
11、目的是為了減小MOSFET處在通態時候的的參數Rds(on),也就是drain極到source極的阻抗。當Rds(on)減小了之後，器件在power-switching的時候可以表現出優越的特性，因為當drain-to-source的電流是一個給定值的時候，Rds(on)越小，在drain-to-source的壓降也會越小。結構（結構（Structure）Delta Confidential 由於drain極到source極之間的通道本質上呈現阻抗性，由於surface-inversion現象的存在，對總的阻抗來講，每一個cell都會平均分布到一個 阻抗值，假設為Rn.每一個單獨的cell其阻
12、值已經相當低，但為了減小Rds(on),非常有必要用大量的cell以並聯的方式來組成一個chip.總之，chip上並聯的cell越多，其Rds(on)的值就會越低。Rds(on)=Rn/N,其中N是cell的數量。結構（結構（Structure）Delta Confidential 實際上，Rds(on)由3個不同的阻值所組成。Figure2表示的是單個cell的3種阻抗成份的曲線圖以及它們對總的一個Rds(on)值的影響。曲線中任何一點Rds(on)的值都由那一點3個不同的阻抗相加而成： 結構（結構（Structure）Rds(on)=Rbulk+Rchan+Rext. 其中Rchan表示的
13、是gate極下面通道的阻值；Rext包含了基層，焊接點，引線以及package所產生的阻值；而Rbulk表示的是n區裡面兩層之間的狹窄處所產生的電阻，如圖Figure1(a)所示，再加上狹窄處區域下面的電流通道的阻值以及貫穿整個器件本體到基層區域的阻值Delta Confidential 注意Figure2中Rchan及Rext的部分完全跟電壓沒有關系，而Rbulk跟加的電壓有很大的關系。需同時注意到的是電壓在150V以下的時候，Rds(on)主要由Rchan和Rext決定；當大於150V時，Rds(on)很明顯地可以看到主要由Rbulk決定。Table1給出的是在相應給定電壓的情況下，3種阻
14、值組成Rds(on)時各自所佔的比重。結構（結構（Structure）Delta Confidential 可以從先前的討論中得到適用於任何DMOS器件，半導體物理學原理固有的兩個推論：首先，MOSFET的breakdown-voltage提升的同時，Rds(on)會隨之而顯著增加；再者，如果需要MOSFET去承受更高的breakdown電壓，就無可避免地難以去降低Rds(on).結構（結構（Structure）MOSFET的缺點：當breakdown電壓over 200V時，較之於同等voltage¤t rating的BJT器件，MOSFET具有較高的conduction los
15、s.Delta Confidential 耐高壓的器件其Rbulk較大是因為drain極區需要這種厚厚的但輕摻雜的eip層以避免在器件中產生高電場（避免過早breakdown).當epi層做得更厚，以更小的阻抗來承受高電壓得時候，bulk這種阻抗成份會顯著地增加（如圖2），並且開始支配channel及external這兩種阻抗成份。因此，Rds(on)會隨著breakdown電壓得增加而增加，如果需要MOSFET去承受更高的breakdown電壓，就無可避免地難以去降低Rds(on）結構（結構（Structure）Delta Confidential 也有一個辦法可以去改善這個問題。Rds(o
16、n)針對的是給定cell及chip尺寸所具有的值。採用大一些的chip會得到較低的Rds(on),因為大一些的chip含有較多的cell(如圖Figure3),隨著縱坐標的變換可以得到每一個阻抗的構成部分。結構（結構（Structure）Rds(on)1Rds(on)2Delta Confidential 採用大一點的chip所帶來的一個後果就是會導致成本的增加，因為chip size是一個主要的成本因素。而且因為chip的面積是隨著耐電壓的增加而呈指數遞增的，並不是線性的，因此這種額外的成本將會是成本的重要部分。舉個例子來說，為了得到一個當breakdown電壓是原先值的兩倍時的Rds(on
17、),新的chip的面積將會45倍於原先的面積，盡管成本沒有呈線性增加，但也已經是遠遠高於原先的成本。結構（結構（Structure）UCOSTChip sizeChip sizeDelta Confidential 溫度效應（溫度效應（Effects of temperature）對於bipolar transistor來講，高工作溫度常常是導致不良的因素。高溫主要是由於hot-spotting的效應所產生的，因為bipolar 器件中的電流會趨向集中於emitter周圍。如不加抑制的話，這種hot-spotting效應將會成為導致過快溫升的機理所在。Delta Confidential MO
18、SFET並沒有這種缺點，因為它的電流是採多數載流子的方式。多數載流子的流動性(mobility)（在這裡，再一次強調，mobility是用來定義當電場存在的情況下，多數載流子的平均流動速率)跟silicon內部溫度有關:溫度升高流速將趨緩。溫度效應（溫度效應（Effects of temperature）TmobilityTRds(on)Delta Confidential 這種呈反比的關系顯示當chip變熱的時候載流子的速率將會變慢。事實上，silicon path的阻值將會上升，這樣可以避免電流過分集中趨向於hot spots. 其實，如MOSFET內部趨向形成hot spot時，其本身的
19、阻值就會升高以阻止其形成hot spot並分散其電流，電流將會重新選擇流向，達到芯片局部溫度下降的目的。溫度效應（溫度效應（Effects of temperature）正面橫截方向看hot spots側面橫截方向看hot spot,溫度升高時，由於其阻值上升，電流被分散Delta Confidential 由於本身silicon結構的特點，MOSFET的阻值跟溫度的關系呈正向溫度系數變化，如圖figure4所示：MOSFET的阻抗值具有正向溫度系數的特點，這樣可以極大地避免溫度升高時，出現過高而難以遏制的現象。溫度效應（溫度效應（Effects of temperature）Delta Co
20、nfidential 在阻值上呈現正溫度系數意味著在阻值上呈現正溫度系數意味著MOSFET相對溫度變化時所表現出來相對溫度變化時所表現出來的更加穩定的特性是其本身所固有的的更加穩定的特性是其本身所固有的一種特點，這樣，一種特點，這樣，MOSFET就可以在就可以在溫升過快時提供自我保護以及避免二溫升過快時提供自我保護以及避免二次擊穿。這種特性的另外一個好處是次擊穿。這種特性的另外一個好處是MOSFET可以採取並聯的方式來進行可以採取並聯的方式來進行工作，不用擔心其中的一個器件會吃工作，不用擔心其中的一個器件會吃掉另外一個器件的電流。如果器件開掉另外一個器件的電流。如果器件開始發熱，它的阻值就會升
21、高，電流會始發熱，它的阻值就會升高，電流會被拉下來以達到給芯片降溫的目的。被拉下來以達到給芯片降溫的目的。溫度效應（溫度效應（Effects of temperature）Delta Confidential 柵極參數柵極參數Gate Parameters為了使n型的MOSFET drain-to-source有電流流過，在gate-to-source必須施加一個正向電壓。由於剛才在前面所提到的，gate極與器件的本體在電氣上是隔離的，理論上沒有電流可以從激勵源流進gate極。I? How you can?Delta Confidential 事實上，會有一個小電流（幾十個nanoampere
22、s)從gate-to-source流過，很多技術手冊把它定義成漏電流，Igss.由於gate極的電流非常之小，MOSFET的輸入阻抗顯得尤其高（兆歐級）；而且，事實上gate-to-source所表現出來的capacitive（容抗性）遠甚於resistive(阻抗性）。（因為gate極本身是絕緣的，gate-to-source形成一個電容）柵極參數柵極參數Gate ParametersUgsIgs100nA原來如此Delta Confidential 圖Figure5解釋的是MOSFET最基本的一種輸入電路。其中所畫出來的零件是等效模式，並不是實際的零件電阻R和電容C.電容Ciss在MOSF
23、ET的技術手冊裡是器件內部gate-to-source和gate-to-drain極間電容的組合;電阻R表示的是gate極所顯示出來的阻抗. MOSFET輸入端等效電阻和等效電容會影響到器件本身的最高工作頻率。MOSFET的開關速度主要決定於其輸入阻抗特性和輸入電容特性柵極參數柵極參數Gate ParametersDelta Confidential 工作頻率（工作頻率（Operating Frequency）大部分的DMOS制程通常採用polysilicon(多晶硅）gate的結構，而不是metal-gate的形式.如果gate結構的阻抗（如圖Figure5中的R）很高，DMOS器件的開關時
24、間也會增加，這樣就會降低它的最高工作頻率。相對metal-gate的結構來講，polysilicon gate具有較高的阻抗。由此可以很好地解釋為什麼metal-gate結構的MOSFET常用於高頻場合（20Mhz),而polysilicon結構的MOSFET多用於高功率但頻率較低的場合。MOSFET的開關速度主要決定於其輸入阻抗特性和輸入電容特性Delta Confidential 由於MOSFET的響應頻率受制於gate端的有效R和C的值，所以可以從一些技術手冊中的參數大概估算出MOSFET的最高工作頻率。阻抗部分主要取決於polysilicon-gate overlay結構中薄層的電阻值
25、，該值大約是20歐姆。鑒於在技術手冊裡一般不會給出總的R的值，Ciss一般會給出:以最大值的方式表示，同時會以圖示的方式來反映出其與drian-to-source電壓的關系。工作頻率（工作頻率（Operating Frequency）Delta Confidential Ciss的值跟chip size有關；chip越大，Ciss值越大。由於MOSFET的輸入端的RC組合勢必會在driving circuit的作用下有一個charge和discharge的問題，而且由於容量的支配，較之於較小的chip，較大的chip開關速度較慢，因此，較大chip的MOSFET適合用在低頻的應用電路裡面。總而
26、言之，絕大部分的的MOSFET最高使用頻率在1Mhz到10Mhz之間。工作頻率（工作頻率（Operating Frequency）Delta Confidential 輸出特性（輸出特性（Output Characteristics）MOSFET最常用的graphical data可能是輸出特性曲線或者是drain-to-source電流（Ids)與drain-to-source電壓（Vds)的關系曲線圖。典型的曲線圖如圖Figure6所示，給出的是在不同Vgs的情況下，Id隨著Vds變化的一個關系曲線圖。MOSFET需要一個高輸入電壓（至少10V）以使它們可以以full rated 的Id狀
27、態來工作。Delta Confidential 曲線圖可以分為兩個部分：一個是線性區，Vds較小，Id隨著Vds的增加而線性增加；另外一個是飽和區，Vds增加的時候，Id基本上沒有什麼變化（器件相當於一個恆流源）。電流變化的線性部分和飽和部分交匯的區域稱之為（pinch-off region)輸出特性（輸出特性（Output Characteristics）Delta Confidential 驅動要求（驅動要求（Drive Requirements）當我們考慮需要一個多大的Vgs才能使一個MOSFET工作的時候，注意到在圖Figure6裡面，MOSFET在Vgs達到一個特定值（稱之為導通電壓
28、）之前，MOSFET是不會導通的（沒有電流流過）。換句話說，開啟電壓一定要達到一定的值以後，我們才能期望得到想要的Id電流。對許多的MOSFET來講，其開啟電壓一般為2V。在選擇一個MOSFET或設計MOSFET的驅動電路的時候，這是一個重要的考慮因素：gate極驅動電路必須提供一個至少等同開啟電壓大小的電壓，不過我們建議，這個電壓應該比開啟電壓大一些。Delta Confidential 如圖Figure6所示，MOSFET必須要有一個一定大小的電壓才能去驅動它，比如是10V，才能確保它以最大的飽和電流的狀態來工作。但是有些IC電路，如TTL型的IC電路，在沒有加external的pull-
29、up電阻時，沒有辦法提供所需大小的電壓。即使把電壓pull-up到了5V，TTL驅動電路仍無法完全使MOSFET工作在飽和狀態。因此，TTL驅動電路最適合用在當開關的電流（Id)遠小於rated current的場合。驅動要求（驅動要求（Drive Requirements）Delta Confidential CMOS IC的驅動電路可以提供10V的激勵電壓，這些器件有能力驅使MOSFET工作在Full Saturation的狀態。換而言之,，CMOS無法做到像TTL驅動電路一樣的開關速度。最好的做法是，不管是採用TTL還是CMOS IC，當我們在IC的output和gate極的input之
30、間嵌入特殊的buffering chip去滿足MOSFET的gate極的需求時，兩種方式都可以實現驅動的目的。驅動要求（驅動要求（Drive Requirements）Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理按導電性能的不同，物質可分為導體，絕緣體和半導體。目前用來制造電子器件的材料主要是單晶半導體硅（Si)和鍺（Ge).硅和鍺都是四價元素，其原子圖如下所示：純凈的半導體稱為本征半導體，會形成如下的空間點陣Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理在受熱或有外加電場的情況下，共價鍵中的價電子有可能掙脫共價鍵的束縛而形成自由電子，帶“-”
31、電，其原來的位置形成一個帶“+”電的空穴。 相鄰共價鍵內的電子在正電荷的吸引下會填補附近的空穴，從而把空穴移動到別處去。依此類推，空穴便可在整個晶體內移動。當有電場作用時，價電子定向地填補空位，使空位做相反方向的的移動，這與帶正電荷的粒子做定向運動的效果完全相同。在這裡，帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴都稱為載流子。Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理N型半導體P型半導體純凈半導體由於其內部的載流子濃度有限，導電能力較差；經過摻雜之後，加大了載流子濃度，導電能力大大提升磷，砷，銻等多數載流子硼，鋁，銦等Delta Confidential 半導體的基本原理半
32、導體的基本原理-如何形成如何形成PN結結N型半導體P型半導體有濃度差，相互進行擴散雜質原子多一個價電子而成為負離子雜質原子失去一個價電子而成為正離子Delta Confidential N型半導體P型半導體半導體的基本原理半導體的基本原理-如何形成如何形成PN結結擴散後形成內建電場稱為耗盡層，對載流子的擴散有阻礙作用，又稱為阻擋區或勢壘區?Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理PN結正向偏置多數載流子被強行推入耗盡區，中和其中的正負離子耗盡區變窄並最終消失，利於多數載流子擴散，導電能力大大增強.Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原
33、理PN結反向偏置多數載流子被強行拉離耗盡區，使更多的正負離子裸出來耗盡區變寬，更不利於多數載流子擴散，導電能力大大削弱.原來如此，怪不得二極體有這樣得特性Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理PN結得伏安特性Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理重摻雜重摻雜的好處在哪裡呢？Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理在重摻雜的PN結中，耗盡區很窄，所以不大的反向電壓就能使耗盡區內形成很強的電場。當反向電壓大到一定值時，強電場足以使耗盡區內的中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產生大量的電子、空穴對，使反向電流
34、急劇增大。這種擊穿成為齊納擊穿或場致擊穿。隻要控制擊穿電流，擊穿是可以恢復而不會毀壞PN結。輕摻雜重摻雜Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理在輕摻雜得PN結中，外加反向電壓時，耗盡區較寬，少子漂移通過耗盡區時被加速，動能增大。當反向電壓大到一定值時，在耗盡區內，被加速而獲得高能得少子，在與中性原子得價電子相碰撞時，會把價電子撞出共價鍵，產生電子、空穴對。新產生得電子、空穴被強電場加速後，又會撞出新的電子、空穴對。這種連鎖反應使耗盡區內的載流子數目劇增，從而引起反向電流急劇增大。其現象類似於雪崩，所以成為雪崩擊穿。輕摻雜重摻雜Delta Confidential
35、 半導體的基本原理半導體的基本原理-晶體管的一般工作模式晶體管的一般工作模式）發射極正偏，集電極反偏；）發射區向基區注入電子，基區的空穴也向發射區注入，但發射區相對基區為重摻雜，注入的空穴濃度遠小於電子濃度；）電子在基區中邊擴散邊復合；）擴散到集電結的電子被集電區收集。所以在晶體管中，薄的基區將發射結和集電結緊密地聯系在一起，它能把結的正向電流，幾乎全部地傳輸到反向偏置的結回路中去。這是晶體管實現放大功能的關鍵所在。Delta Confidential BJT的共射極應用半導體的基本原理半導體的基本原理PN結得伏安特性共射輸出特性曲線Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理PN結得伏安特性BJT的最高耐電壓及二次擊穿所謂二次擊穿是指器件發生一次擊穿後，集電極電流繼續增加，在某電壓，電流點產生向低阻抗區高速移動的的負阻現象一旦發生二次擊穿，輕者使BJT耐壓降低，特性變差，重者使集電結和發射結熔通，使BJT受到永久性毀壞。Delta Confidential 半導體的基本原理半導體的基本原理PN結得伏安特性Delta ConfidentialTHANK YOU
