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的应用范围，常

用半导体器件的特性如下三图所示。目前来说，最常用的功率半导体器件为功

率MOSFET和IGBT。总的来说，MOSFET的输出功率小，工作频率高，但由于它导通电阻大的缘故，功耗也大。但它的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、工业控制和电力设备领域。IGBT的输出功率一般10KW~1000KW

之间，低频时功耗小，但随着工作频率的增加，开关损耗急剧上升，使得它的

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 功率半导体器件的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

二不同结构的功率MOSFET特性介绍

功率MOSFET的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，随着工艺的日渐成熟、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的MOSFET的特性。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+连续扩散的表面，槽的角度由硅的晶体结构决定，而器件沟道长度取决于连续扩散的深度。在这种结构中，表面沟道由V 形槽中的栅电压控制，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的漂移区且电流向下流动，可以提高耐压而并不消耗表面的面积。

这种结构提高了硅片的利用率，器件的频率特性得到很大的改善。同时存在下列问题:1，V形槽面之下沟道中的电子迁移率降低；2，在V槽的顶端存在很强的电场，严重影响器件击穿电压的提高；3，器件导通电阻很大；4，V槽的腐蚀不易控制，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的结构是基于VVMOS改进得到的。这里的的U槽是通过控制腐蚀V槽的两个斜面刚进入N-漂移区但还未相交时停止腐蚀得到的，当这种结构的栅极施加正偏压时，不仅在P型沟道区中会形成反型层，而且在栅极覆盖的N-漂移区中还会产生积累层，于是源极电流均匀分配到漏极。适当选取栅极覆盖的漂移区宽度，可大大减小导通电阻，同时避免V槽顶端强电场的产生。

但是，VUMOS的U 槽同样存在难于控制腐蚀、栅氧暴露的问题。VDMOSFET

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

图2.3 普通VDMOS 结构及耐压区的电场分布示意图

一般功率半导体器件承受电压靠的是耐压区内的反偏二极管。如图

VDMOS ，当漏-源两端加有电压V DS ，而栅-源电压V GS 小于MOSFET 的阈值电压时，VDMOS 处于关断状态，V DS 主要是由n 型漂移区和p 型源衬底区构成的反偏二极管承受。

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的电离施主发出的电力线全部往上到达p 型衬底区，并被p 区内耗尽的电离受主的负电荷吸收。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 的关系可以表示为：

()8 2.520.8310on B R V cm -=⨯⨯Ω⋅

从该式可以看出，当器件的耐压增加，则导通比电阻随耐压指数次的增加。这就是所谓的“硅极限”。VDMOS 的这种特性严重限制了它在高耐压领域的应用。

由于VDMOS 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是一种双扩散结构的功率器件。N-LDMOS的沟道是通过源极N

型重掺杂和其下方的阱区P型轻掺杂的两次扩散来形成的。离子注入完成之后

还有一个高温推进的过程。两次扩散的横向距离差决定了LDMOS的沟道长度，这种工艺所制造的MOS的沟道长度是固定的。

在漏极和栅极之间还有一个轻掺杂的漂移区，漂移区的作用是为了提高LDMOS的击穿电压，漂移区的存在还在源极和漏极之间起到了缓冲的作用，

对LDMOS的短沟道效应也有所改善。

低耐压和高耐压LDMOS的主要区别在于栅电极和漂移区的长度，一般来说，低耐压LDMOS的栅电极覆盖着整个漏源两区之间的面积；而高耐压

LDMOS的栅电极距漏区N+边缘必须要有一定的距离。如果该距离太小或者覆

盖了漏区，则漏源之间的击穿电压BV DS将会大幅度下降。

图2.6 非对称LDMOS的结构示意图

如上图是源极与漏极不对称的LDMOS结构，在源极没有加入面积较大的

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

如上图是源极与漏极对称的LDMOS结构，这样源极和漏极都可以承受高压。

SiC MOSFET

SiC具有较宽的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速度、较高的击穿电场强

度以及较低的介电常数。热击穿结温可以到300℃。由其制造的SiC功率器件，具有耐高压、耐高温、抗辐射的优点。

与Si功率器件相比，SiC MOSFET具有更加稳定的性能，其阈值电压受

温度的影响不像Si器件那么明显，“温漂效应”比较小。因此在温度变化的场合

应用时不需要特别关注温度对栅极开启电压的影响。SiC MOSFET的各项寄生

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