功率器件简要介绍

一功率半导体简介

功率半导体器件种类很多,器件不同特性决定了它们不同得应用范围,常用半导体器件得特性如下三图所示。目前来说,最常用得功率半导体器件为功率MOSFET与IGBT。总得来说,MOSFET得输出功率小,工作频率高,但由于它导通电阻大得缘故,功耗也大。但它得功耗随工作频率增加幅度变化很小,故MOSFET更适合于高频场合,主要应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、工业控制与电力设备领域。IGBT得输出功率一般10KW~1000KW之间,低频时功耗小,但随着工作频率得增加,开关损耗急剧上升,使得它得工作频率不可能高于功率MOSFET,IGBT主要应用于通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空航天以及国防等领域。

图1、1 功率半导体器件得工作频率范围及其功率控制容量

图1、2 功率半导体器件工作频率及电压范围

图1、3 功率半导体器件工作频率及电流范围

二不同结构得功率MOSFET特性介绍

功率MOSFET得优点主要有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、工作频率高,随着工艺得日渐成熟、制造成本越来越低,功率MOSFET应用范围越来越广泛。我们下面主要介绍一些不同结构得MOSFET得特性。VVMOSFET

图2、1 VVMOS结构示意图

VVMOS采用各向异性腐蚀在硅表面制作V 形槽,V形槽穿透P与N+连续扩散得表面,槽得角度由硅得晶体结构决定,而器件沟道长度取决于连续扩散得深度。在这种结构中,表面沟道由V 形槽中得栅电压控制,电子从表面沟道出来后

乡下流到漏区。由于存在这样一个轻掺杂得漂移区且电流向下流动,可以提高耐压而并不消耗表面得面积。

这种结构提高了硅片得利用率,器件得频率特性得到很大得改善。同时存在下列问题:1,V形槽面之下沟道中得电子迁移率降低;2,在V槽得顶端存在很强得电场,严重影响器件击穿电压得提高;3,器件导通电阻很大;4,V槽得腐蚀不易控制,栅氧暴露,易受离子玷污,造成阈值电压不稳定,可靠性下降。

VUMOSFET

图2、2 VUMOS结构示意图

VUMOS得结构就是基于VVMOS改进得到得。这里得得U槽就是通过控制腐蚀V槽得两个斜面刚进入N-漂移区但还未相交时停止腐蚀得到得,当这种

结构得栅极施加正偏压时,不仅在P型沟道区中会形成反型层,而且在栅极覆盖

得N-漂移区中还会产生积累层,于就是源极电流均匀分配到漏极。适当选取栅极覆盖得漂移区宽度,可大大减小导通电阻,同时避免V槽顶端强电场得产生。

但就是,VUMOS得U 槽同样存在难于控制腐蚀、栅氧暴露得问题。VDMOSFET

电压控制型单极性器件,没有电导调制效应,因而具有很高得开关速度,使其在高频领域具有广泛得应用。

图2、3 普通VDMOS结构及耐压区得电场分布示意图一般功率半导体器件承受电压靠得就是耐压区内得反偏二极管。如图VDMOS,当漏-源两端加有电压V DS,而栅-源电压V GS小于MOSFET得阈值电压时,VDMOS处于关断状态,V DS主要就是由n型漂移区与p型源衬底区构成得反偏二极管承受。

由于n型漂移区至少有一部分区域在外加电压作用下耗尽,则耗尽之后带正电荷得电离施主发出得电力线全部往上到达p型衬底区,并被p区内耗尽得电离受主得负电荷吸收。因此,最大电场在n与p交界处。当V DS足够大时,n型漂移区被全耗尽。

推导过程略,我们可以得到理想情形下R on与V B得关系可以表示为:

从该式可以瞧出,当器件得耐压增加,则导通比电阻随耐压指数次得增加。这就就是所谓得“硅极限”。VDMOS得这种特性严重限制了它在高耐压领域得应用。

由于VDMOS 就是纵向器件,有人提出一种改进结构,使其适应于平面工艺,如下。

该结构漏极通过高掺杂埋层收集漏源电流,再通过高掺杂漏区由上表面引出。

图2、4 平面工艺VDMOS结构示意图

LDMOS

图2、5 LDMOS结构示意图

LDMOS就是一种双扩散结构得功率器件。N-LDMOS得沟道就是通过源极N型重掺杂与其下方得阱区P型轻掺杂得两次扩散来形成得。离子注入完成之后还有一个高温推进得过程。两次扩散得横向距离差决定了LDMOS得沟道长度,这种工艺所制造得MOS得沟道长度就是固定得。

在漏极与栅极之间还有一个轻掺杂得漂移区,漂移区得作用就是为了提高LDMOS得击穿电压,漂移区得存在还在源极与漏极之间起到了缓冲得作用,对LDMOS得短沟道效应也有所改善。

低耐压与高耐压LDMOS得主要区别在于栅电极与漂移区得长度,一般来说,低耐压LDMOS得栅电极覆盖着整个漏源两区之间得面积;而高耐压LDMOS得栅电极距漏区N+边缘必须要有一定得距离。如果该距离太小或者覆盖了漏区,则漏源之间得击穿电压BV DS将会大幅度下降。

图2、6 非对称LDMOS得结构示意图

如上图就是源极与漏极不对称得LDMOS结构,在源极没有加入面积较大得漂移区结构,可以缩小器件面积,节约成本。

图2、7 对称LDMOS结构示意图

如上图就是源极与漏极对称得LDMOS结构,这样源极与漏极都可以承受高压。

SiC MOSFET

SiC具有较宽得禁带宽度、较高得饱与电子漂移速度、较高得击穿电场强度以及较低得介电常数。热击穿结温可以到300℃。由其制造得SiC功率器件,具有耐高压、耐高温、抗辐射得优点。

与Si功率器件相比,SiC MOSFET具有更加稳定得性能,其阈值电压受温度得影响不像Si器件那么明显,“温漂效应”比较小。因此在温度变化得场合应用时

不需要特别关注温度对栅极开启电压得影响。SiC MOSFET得各项寄生电容参数均小于Si MOSFET。因而其开通时间比Si MOSFET 更短,开关速度更快,减小了MOSFET得开关损耗。但就是SiC MOSFET就是Si MOSFET价格得10~15倍。

图2、8 SiC MOSFET与Si MOSFET得开通损耗

图2、9 SiC MOSFET与 Si MOSFET得关断损耗