功率器件简要介绍.docx

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VDS，而栅-源电压VGS小于MOSFET的阈值电压时，VDMOS处于关断状态，VDS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VDS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Ron与VB的关系可以表示为：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BVDS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LDM