功率MOSFET分类及不同工艺优缺点应用场合

一.功率MOSFET概述
MOSFET原意是(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)金属氧化物半导体场效应晶体管,即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管,但目前随着半导体技术的进步,现代MOSFET栅极早已用多晶硅栅取代金属栅。
功率MOSFET是70年代在经典MOSFET的基础上发展起来,主要作为功率电子开关使用。与经典MOSFET不同,功率MOSFET着重发展和提高其功率特性,增大器件的工作电压和工作电流(功率MOSFET也称为电力MOSFET)。功率MOSFET围绕如何解决耐压和功耗之间的矛盾产生了许多新工艺结构,由LD MOSFET结构起步经历了VV MOSFET、VU MOSFET、VD MOSFET、SJ MOSFET、Trench MOSFET、SGT MOSFET结构的演化。
功率MOSFET的特点是其用栅极电压控制漏极电流,输入阻抗高、驱动电路简单,驱动功率小,开关速度快、热稳定好等特性。
二.MOSFET分类、结构
功率MOSFET按照导电类型、栅极驱动电压、元胞结构与工艺结构都有不同划分,具体分类如下:
谢宇风1.按导电类型分:
方形气囊(1)N沟道
(2)P沟道
2. 按栅极驱动电压分:
(1)耗尽型
(2)增强型
耗尽型:当栅极电压为零时漏源极之间就已存在导电沟道。增强型:对于N 沟道器件,栅极电压大于零时才存在导电沟道(小于零时才存在导电沟道为P型)。以上四种类型MOSFET符号、输出特性和转移特性如图1所示;因功率MOSFET 主流是N沟道增强型,本文下面都是以N沟道增强型为例进行讨论。
图1-四种类型MOSFET 符号、输出特性和转移特性
3. 按元胞结构分:
(1)六边形
(2)方形或矩形
mp3机(3)条形
电机接线柱
目前如国际整流器公司IR的HEXFET采用了六边形元胞单元;西门子公司的SIP MOSFET采用了正方形元胞单元;摩托罗拉公司的T MOS采用了矩形元胞单元;仙童Fairchild公司采用了长方形元胞单元按条形排列。长方形元胞单元按条形排列,这也是国内主流的元胞结构,其特点是工艺简单,结电容较小、开关速度快。
4. 按工艺结构分:
(1)LD MOSFET
(2)VV MOSFET
(3)VU MOSFET
(4)VD MOSFET
(5)SJ MOSFET
(6)Trench MOSFET
(7)SGT MOSFET
目前VD MOSFET为功率MOSFET主流工艺结构。
三.不同工艺结构分析
1.LD MOSFET
LD MOSFET栅极、源极、漏极都在硅片的上表面,下部为衬底,当Gate处于适当正电位时,其二氧化硅层下面的晶体表面区由P型变为N型(反型层),形成N型横向导电沟道,电流从漏极流向源极。为提高功率能力,要求有很高的沟道宽长比W/L,而平面水平沟道L不能太小,所以只能增大芯片面积,因而该工艺MOSFET一直停留在几十伏电压,几十毫安电流的水平。LD MOSFET工艺结构如下图2所示;
图2-LD MOSFET工艺结构
LD MOSFET特点:制造工艺简单、具有低结电容,因此开关速度快;但该工艺MOSFET因不能充分应用硅片尺寸,电流和电压的额定值受到限制,功率等级小;一般主要适合低压场合应用,如微处理器、运放、数字电路及射频电路。
因LD MOSFET的功率处理能力低下促使垂直导电型V MOSFET的出现,V MOSFET分为VV MOSFET和VU MOSFET两种结构。
2.VV MOSFET
曲轴加工
VV MOSFET是第一个商业化功率MOSFET,VV MOSFET是利用V型槽来实现垂直导电,当Vgs大于0时,在V型槽外壁与硅表面接触的地方形成一个电场,P区时N+区域的电子受到吸引,当Vgs足够大时,就会形成N型导电沟道,使漏、源极之间有电流流过;VV MOSFET工艺结构如下图3所示。
图3-VV MOSFET工艺结构
点火模块VV MOSFET特点:VV MOSFET不仅继承了LD MOSFET输入阻抗高、驱动电流小、还具有耐压高(最高可耐压1200V)、工作电流大(1.5A~100A)、跨导线性好、开关速度快等优良特性;但因VV MOSFET是利用各向异性原理湿法腐蚀形成沟槽结构,其工艺稳定性不佳且存在尖端放电的问题,所以目前使用较少。
VV MOSFET主要应用在电压放大器、功率放大器、开关电源和逆变器中。
3.VU MOSFET(Vertical U-groove MOSFET)
为了改善V型槽顶端的电场尖峰和电流集中效应,研究人员又发明了VU MOSFET,VU MOSFET与VV MOSFET一致同样采用各向异性刻蚀工艺挖U槽。VU MOSFET结构如下图4所示;

本文发布于:2024-09-20 20:47:40,感谢您对本站的认可!

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