功率MOSFET及其發展淺說

ElementaryIntroductionofPowerMOSFETandIt'sDevelopment

　　近年來作了多次關于功率半導體器件發展趨勢的報告，許多朋友都希望我講得更詳細些，或更能符合應用工作者的口味，因而撰寫一篇現代功率半導體器件淺說的想法由來已久。只是由于設想太大，久久未能動筆。現在從功率MOSFET寫起，作為現代功率半導體器件淺說之一，以后再接著寫之二、之三，這樣就免于擱淺。本文是一種嘗試，希望能使讀者對現代功率半導體器件的發展有較深入的理解，能更主動地以新一代的器件去改進自己的電路。既是一篇淺說，就需要把基本原理講得盡可能淺顯些。使大家像讀故事書那樣把技術弄清楚。有的解釋或許不夠嚴格。如果我忽略了一些主要的東西，希望讀者能協助我予以改正。

由于世界市場的激烈競爭，各功率半導體器件制造商正投入大量資金發展新的設計、改進新的工藝、開發新的產品。好些產品甚至每個季度都有新的發展，品種的更新換代幾乎到了使人眼花繚亂的程度。因此詳細介紹器件發展的新趨勢，就顯得更為必要了。

本文從功率MOSFET開始來介紹現代功率半導體器件，這是因為功率MOSFET是新一代功率半導體器件的起點。同時，從器件的結構來說，功率MOSFET也屬于最基本的結構之一。

圖1所示為IR功率MOSFET的基本結構。圖中每一個六角形是一個MOSFET的原胞（cell）。正因為原胞是六角形的（hexangular）,因而IR常把它稱為HEXFET。功率MOSFET通常由許多個MOSFET原胞組成。已風行了十余年的IR第三代（Gen－3）HEXFET每平方厘米約有18萬個原胞，目前世界上密度最高的IR第八代（Gen－8）HEXFET每平方厘米已有1740萬個原胞。這就完全可以理解，現代功率半導體器件的精細工藝已和微電子電路相當。新一代功率器件的制造技術已進入亞微米時代。

圖1

??? 圖1中已標明了漏（Drain）和源（Source）。漏源之間的電流通過一個溝道（Channel）上的柵（Gate）來控制。按MOSFET的原意，MOS代表金屬（Metal）－氧化物（Oxide）－半導體（Semiconductor），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）。FET（FieldEffectTransistor場效應晶體管）的名字也由此而來。然而我們從圖1中可以看到，HEXFET中的柵極并不是金屬做的，而是用多晶硅（Poly）來做柵極，這也就是圖中所注明的硅柵極（SiliconGate）。IR在1978年時是用金屬做柵極的，1979年的Gen－1HEXFET是世界上第一個采用多晶硅柵極的多原胞型功率MOSFET。

作為功率MOSFET來說，有兩項參數是最重要的。一個是Rds(on),即通態時的漏源電阻。另一個是Qg，即柵極電荷，實際即柵極電容。柵極電容細分起來可分成好幾個部分，與器件的外特性輸入與輸出電容也有較復雜的關系。除此之外有些瞬態參數也需要很好考慮，這些我們留到后面再談。

1通態漏源電阻Rds(on)的降低

??? 為降低Rds(on)，先要分析一下Rds(on)是由哪些部分組成。圖2列出了芯片中的各部分的電阻。這些電阻主要包括：

??? RCH：溝道電阻，即柵極下溝道的電阻。

??? RJ：JFET電阻，即把各原胞的P－基區（P－Base）所夾住的那部分看為JEFT。JEFT是結型場效應晶體管（JunctionFET）的簡稱。結型場效應管是以PN結上的電場來控制所夾溝道中的電流。雖同稱為場效應晶體管，但它和MOSFET是以表面電場來控制溝道中的電流情況不同，所以MOSFET有時也被稱為表面場效應管。

圖2

RD：漂移層電阻，主要是外延層中的電阻。一般做功率MOSFET都采用外延片。所謂外延片即在原始的低阻襯底（substrate）硅片上向外延伸一層高阻層。高阻層用來耐受電壓，低阻襯底作為支撐又不增加很多電阻。對MOSFET來說，載流子（電子或空穴）在這些區域是在外界電壓下作漂移（Drift）運動，故而相關的電阻稱為RD。若要求MOSFET的耐壓高，就必須提高高阻層（對N溝道MOSFET來說，稱N－層）的電阻率，但當外延層的電阻率提高時，RD也隨之提高。這也是很少出現一千伏以上的高壓MOSFET的原因。

（1）降低溝道電阻

首先我們來看如何降低溝道電阻。前面已經提到，當前功率MOSFET發展的一個重要趨勢就是把單個原胞的面積愈做愈小，原胞的密度愈做愈高，其原因就是為了降低溝道電阻。為什么提高原胞的密度可降低溝道電阻呢？從圖一可以看出：HEXFET的電流在柵極下橫向流過溝道。其電阻的大小和通過溝道時的截面有關。而這個截面隨器件內原胞周界的增長而增大。當原胞密度增大時，在一定的面積內，圍繞著所有原胞的總周界長度也迅速擴大，從而使溝道電阻得以下降。

IR公司1995年發展的第五代HEXFET，其原胞密度已比第三代大5倍。因此通過同樣電流時的硅片面積有希望縮小到原來的2/5。第五代的另一個特點是，其工藝大為簡化，即從第三代的6塊光刻板減為4塊，這樣器件的制造成本就可能降低。當今世界上最流行的仍是IR的第三代和第五代，第三代常用于較高電壓的器件（如200～600伏），而第五代常用于較低電壓的器件（如30～250伏）。高密度結構在較低電壓器件中顯示更優越作用的原因是因為低壓器件的體電阻RD較小，因而降低溝道電阻更易于顯出效果。過去有多年工作經驗的電力電子工作者，常對當前生產廠熱中于發展低壓器件不感興趣或不可理解。這主要是電力電子技術的應用面已大大拓寬，一些低壓應用已成為新技術發展中的關鍵。最典型的是電腦中電源的需求。正在研究的是1伏甚至到0.5伏的電源，同時必須迅速通過50或100安這樣大的電流，這種要求對半導體器件是十分苛刻的。就像要求一個非常低壓力的水源，瞬間流出大量的水一樣。

為進一步增加原胞密度，也可以采用挖槽工藝。通常稱為trench(溝槽)MOSFET。圖3（a）將溝槽結構作了一個簡單圖示。溝槽結構的溝道是縱向的，所以其占有面積比橫向溝道為小。從而可進一步增加原胞密度。有趣的是，最早做功率稍大的垂直型縱向MOSFET時，就是從挖槽工藝開始的，當初稱為VVMOS,但由于工藝不成熟，因而只有當平面型的VDMOS出現后，才有了新一代的功率半導體器件的突破。在半導體器件的發展過程中，因為半導體工藝的迅速發展，或是一種新的應用要求，使一些過去認為不成熟的技術又重新有了發展，這種事例是相當普遍的。當前一統天下的縱向結構功率MOSFET，也有可能吸納橫向結構而為低壓器件注入新的發展方向。

（2）降低JFET電阻

為降低JFET電阻，很早就采用了一種工藝，即增加所夾溝道中的摻雜濃度，以求減小JFET的溝道電阻。

溝槽式結構也為降低JFET電阻帶來好處。從上

圖3

述圖3（a）中也可以看出，原結構中的JFET在溝槽型結構中已經消失。這也就使其Rds(on)得以進一步下降。然而溝槽式的缺點是其工藝成本要比原平面型的結構較高。

（3）降低漂移電阻

上面的討論已涉及到如何降低溝道電阻RCH和JFET電阻RJ。現在剩下的是如何來減小芯片的體電阻RD。上面已經提到，當要求MOSFET工作于較高電壓時，必需提高硅片的電阻率。在雙極型晶體管中（晶閘管也一樣），有少數載流子注入基區來調節體內電阻，所以硅片電阻率的提高對內阻的增加影響較小。但MOSFET則不屬于雙極型晶體管，它依賴多數載流子導電，所以完全是以外延層的電阻率來決定其Rd。因而使MOSFET的Rds(on)與器件耐壓有一個大概2.4到2.6次方的關系。即要求器件的耐壓提高時，其Rds(on)必然有一個十分迅速的上升。這也是為什么在600伏以上常采用IGBT的原因。IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的簡稱，IGBT雖然結構與MOSFET相似，但卻是一種雙極型器件。它也是采用少數載流子的注入來降低其體電阻的。

一個十分聰明的構思又為功率MOSFET提供了一條新出路。如果N－溝道MOSFET中的P基區（如圖3（b））向體內伸出較長形成一個P柱。則當漏源之間加上電壓時，其電場分布就會發生根本的變化。通常PN結加上電壓時，電位線基本上是平行于PN結面的。但這種P柱在一定的設計下可使電位線幾乎和元件表面平行。就像P柱區和N－區已被中和為一片高阻區一樣。于是就可以采用較低的電阻率去取得器件較高的耐壓。這樣，Rds(on)就因較低的電阻率而大大下降，和耐壓的關系也不再遵循前面所提到的2.4到2.6次方的關系了。這樣一種思路為MOSFET拓寬了往高壓的發展，今后和IGBT在高壓領域的競爭就大為有利了。

通過上面的各種努力，IR公司MOSFET的Rds(on)正逐年下降，或者說，正在逐季下降。應用工作者如何抓住機會跟上器件的發展，及時把更好性能的器件用上去，就變得十分重要了。

2柵電荷Qg的降低

??? MOSFET常常用在頻率較高的場合。開關損耗在頻率提高時愈來愈占主要位置。降低柵電荷，可有效降低開關損耗。

??? 為了降低柵電荷，從減小電容的角度很容易理解在制造上應采取的措施。從圖4可以看到，為減小電容，增加絕緣層厚度（在這兒是增加氧化層厚度）當然是措施之一。減低電容板一側的所需電荷（現在是降低溝道區的攙雜濃度）也是一個相似的措施。此外，就需要縮小電容板的面積，這也就是要減小柵極面積。縮小原胞面積增加原胞密度從單個原胞來看，似乎可以縮小多晶層的寬度，但從整體來講，其總的柵極覆蓋面積實際上是增加的。從這一點來看，增加原胞密度和減小電容有一定的矛盾。

圖4

??? 采用了上述措施，IR產生了第3.5代。也稱為低柵電荷MOSFET。第3.5代的米勒電容下降80％，柵電荷下降40％。當然第3.5代還有許多其它措施來降低Rds(on)（降低了15％），這樣所帶來的好處不僅是開通速度快了，溫升降低了，也帶來了dv/dt能力的提高，柵漏電壓的增高，同時也降低了驅動電路的費用。所以對應用工作者來說，將大家最為熟悉的第三代改換用第3.5代的時機已經來到。

?? 為緩解原胞密度增高后柵面積增大引起柵電荷過分增大的問題，一種折衷的結構也隨之出現。那就是將漏極的原胞結構改為條狀漏極。這時候可以有同樣窄的柵極（條密度很高）而不至于增加太多柵極面積，所以柵電荷得以減小。

?? 請原諒我暫時還不能把IR公司的某一代技術和上述的結構聯系得過分明確，因為公司也許不容許我這樣做。但我相信我已經把聯系器件主要參數的基本原理都說清楚了。為了幫助大家記憶，可以粗略地把IR用于高壓的器件歸納為第3、6、9代，其中當然包括3.5代。而用于低壓的則為5、7、8代。這樣如果大家以后在IR的有關報告中聽到這些，也就不至于迷惑了。

3動態性能的改進

??? 熟悉電力電子技術的人，早已很了解除了要考慮器件的電壓、電流、頻率而外，還必須懂得在應用中如何保護器件，不使器件在瞬態變化中受損害。這在當年應用晶閘管時是如此，現在同樣也應有相應的考慮。當然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導通區的擴展問題，所以也帶來相當嚴格的限制。

??? 功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來估量。但盡管如此，它也存在動態性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結構來予以理解。

圖5MOSFET剖面與等效電路圖

??? 圖5是功率MOSFET的結構和其相應的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯著一個二極管。同時從某個角度看、它還存在一個寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣）。這幾個方面，是研究MOSFET動態特性很重要的因素。

?? 首先MOSFET結構中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復雪崩能力來表達。當反向di/dt很大時，二極管會承受一個速度非常快的脈沖尖刺，它有可能進入雪崩區，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件打壞。作為任一種PN結二極管來說，仔細研究時其動態特性是相當復雜的。它們和我們一般理解PN結正向時導通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當電流迅速下降時，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時間。PN結要求迅速導通時，也會有一段時間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復雜性。

??? 功率MOSFET的設計早已采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻Rb盡量小。因為只有在漏極N區下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區建立正偏的條件時，寄生的雙極性晶閘管才開始發難。然而在嚴峻的動態條件下，因dv/dt通過相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET帶來災難。所以考慮瞬態性能時對功率MOSFET器件內部的各個電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

?? 瞬態情況是和線路情況密切相關的。這方面對應用有研究的專家會給你最好的指導。如果對器件有了深入理解，將大大有利于理解和分析相應的問題。

??? 值得注意的是，為了追求更低Rds(on)的MOSFET，同時又要求有更快速的性能，一種完全嶄新結構的MOSFET還會出現。請容許我今后不斷補充和更新這方面的有關知識，我想今后應注明“淺說”是屬于哪年的版本，因為新的革新實在是發展得太快了。

?