NexFETTM:新一代功率 MOSFET

2011-02-22 17:33:14来源: 互联网

功率 MOSFET 可作为高频率脉冲宽度调变 (PWM) 应用中的电气开关,例如稳压器及/或控制电源应用之中负载电流的开关。作为负载开关使用时,由于切换时间通常较长,因此装置的成本、尺寸及导通电阻 (on-resistance) 是设计时考虑的重点。用于 PWM 应用时,晶体管必须在切换期间达到最低的功率损耗,对于促使 MOSFET 设计更为挑战且时间成本更高的小型内部电容而言,这已成为另一项必要的需求。设计人员需要特别注意闸极对汲极 (Cgd) 电容,因为这类电容决定了切换期间的电压瞬时时间,这是影响切换功率损耗最重要的参数。

同步降压转换器的“理想”开关,即计算机应用中最常用的转换器拓朴,必须具备下列需求:
低传导损耗 (低 Rds,on)
低切换损耗 (低 Cgd)
低驱动器损耗 (低 Ciss)
无横流 (cross-current) 损耗 (低 Cgd/Ciss 比率,避免击穿 (shoot-through) 效应)
低体二极管 (body diode) 损耗 (低 Qrr 及硬式切换,缩短先断后合(break-before-make) 的延迟时间)

当然,作为开关用的装置必须具备稳定的结构,才能消耗大量的累增崩溃电量 (avalanche energy),以确保整个安全操作范围 (SOA)的运作都正常可靠。

装置概念及技术

NexFETTM 技术是电源应用的新一代 MOSFET,其中采用能够成功放大无线射频 (RF) 信号的横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 装置;见图 1剖面示意图。电流会从最上层金属化源极端流经平面闸极下方的侧边通道,并流至轻掺杂汲极 (LDD) 延伸区域,然后借由低阻抗的垂直沉片 (vertical sinker) 转向基板。无线射频可提供最低的内部电容,而垂直电流可提供高电流密度,完全没有 LDMOS 晶体管平面配置常出现的解偏压问题。


图 1. NexFET 装置的剖面示意图

NexFET 装置的源极金属化具有独特的拓朴,可在闸极的汲极隅点达到场效电板 (field-plate) 效应。场效电板能够沿着 LDD 区域进行电场散布,因此能够降低闸极隅点的高电场峰值,最终能够有效抑制热载子 (hot carrier effect) 效应,此效应会造成一般常用 LDMOS 晶体管内闸极氧化物质量的恶化。

利用 LDD、场效电板及下方深 P 区域的电荷平衡,LDD 区域会提升到高度载子集中的程度。这有助于将装置的阻抗 (RDS(on)) 降至最低。深 P 掺杂也可用来提供信道区域下方的一个大型电荷,以抑制短通道效应 (short channel effect)。如此的做法可设计出较短的通道,而不会产生任何与贯穿效应 (punch-through effect) 相关的问题。在连接至源极植入区域的浅沟槽中,会执行源极接触。掺杂分布 (doping profile) 工程技术可用来找出高汲极电压的电气故障位置。进而找出远离闸极氧化物的累增崩溃产生热载子,并且确保内部双极晶体管结构不会达到极高的累增崩溃电流密度而被触发。

最近二十年来,沟槽 MOSFET 已成为低电压 (小于 100V) 电源开关最成功的技术。图 2 为沟槽及 NexFET 技术的比较。沟槽技术的主要优点是主动式电池节距内具备高信道密度。然而,大区域的沟槽壁不利于缩小内部电容的体积。另外,沟槽下方外延层的中等掺杂程度使得晶体管的阻抗无法加以调整,并且会限制低汲极电压应用 (例如低于 20V VDS,max) 中FET设计所具有的优点。

图 2. Trench-FET 与 NexFET 的技术比较

设计人员可利用现成的最新精密平版印刷制程来结合细微的闸极线路与 LDD 区域的高掺杂度。此全新结构具有沟槽 MOSFET 技术的优异阻抗性能,又保有极低的电荷特性。横跨源极与汲极的闸极最小重迭区能够使内部 CGS 及 CGD 电容的体积缩小,因此可达到绝佳的切换性能。此外,LDD 区域的源极金属场效电板可作为屏蔽汲极终端的去耦合闸极,这会大幅降低 CGD 值,即使是小量汲极电压。对先进沟槽 MOSFET而言,较低的 CISS 及 CGD 值会使得 NexFET-FOM (RDS*QG 及 RDS*QGD 指标) 优于进行观测的 FOM (见图 3)。

图 3. 评定 FOM性能

NexFET 切换性能

在同步降压拓朴的 PWM 切换转换器应用中,NexFET 装置及最新沟槽 MOSFET 的性能评定实验资料 (图 4) 在低功耗电源供应领域中相当常见。对六相位的商用评估电路板而言,转换器的效率被视为输出电流的功能之一。使用先进沟槽装置取得的结果落在资料的邻近群组内,误差只有 ±0.5%。在整个负载电流的范围中,NexFET 芯片组实现的转换器效率高出 2% 至 3%。

图 4. 服务器应用中同步降压转换器效率

NexFET 晶体管具有相似于最佳沟槽装置的体二极管反向恢复行为 (body diode reverse recovery behaviour),它们的差异在于 NexFET 可运用硬式 PWM 驱动器,其中晶体管的关闭不仅相当灵敏,而且尾部电流相当小,因此可达到较短的先断后合延迟时间,而且能够将二极管传导时间及相关的二极管传导功率损耗降至最低。换句话说,使用 NexFET 开关时,缩短闸极驱动器阶段所需的延迟时间能够进一步提升转换器的效率。


图 5 显示 NexFET 解决方案与先进沟槽 FET 芯片组中 12V 同步降压转换器在功率损耗与切换频率的相互关系比较。总结而言,转换器的效率可维持在切换频率的 90% 以上 (功率损耗为 3W),而使用 NexFET 装置可将切换频率从 500kHz 增加到 1MHz。驱动条件经过最佳化后,便能够将此频率实际增加到 1MHz 以上。


图 5. 高切换频率、支持 NexFET的转换器运作

摘要及展望

针对理想开关的需求,NexFET 技术可提供下列功能:
特定 RDS(on) 能够与最新沟槽 FET 媲美
更低的 CISS 及 CGD 可提升 FOM
大幅改善切换损耗及驱动器损耗
CGD 与 CISS 的比率近似于沟槽 FET,但是绝对 CGD 值相当小,而且通过米勒电容 (Miller capacitance) 将电荷回馈的总数降至最低,可提升击穿效应的抗扰度。
体二极管的 Qrr 相当近似,但是可以更加重NexFET 晶体管的切换,而且可以大幅缩短驱动器所导致的停滞时间 (dead time)。

只要将 NexFET 芯片组置入既有系统中,即可观测出转换器效率方面的独特优点。NexFET 技术能够使转换器以更高的切换频率进行运作,最终使滤波器组件的体积与成本降至最低。

References

For more information about NexFET, visit: www.ti.com/mosfet.

关于作者

Jacek Korec 博士拥有 30 多年的半导体行业经验,现任德州仪器功率级部门 (前身为 Ciclon Semiconductor) 资深电源科学家。进入 Ciclon 之前,Jacek 曾任 Silicon Semiconductor 工程副总裁,并且身兼 Vishay-Siliconix 装置设计总监与首席科学家的职务。担任此职务期间,Jacek 对于新款分立式 MOSFET 产品的开发及生产贡献良多。在其职业生涯的早期阶段,Jacek 在德国 Daimler-Benz 中央研究中心服务 10 年之久,负责管理电源半导体装置及 IC 部门。Jacek 曾独力及共同发表 60 多篇科学文章,并拥有 35 项以上的专利。

Shuming Xu 现任德州仪器功率级部门 (前身为 Ciclon Semiconductor) 主要技术策划师,负责领导功率级先进解决方案的开发。Shuming 为 Ciclon Semiconductor 的共同创办人,其间曾开发出非常高速的功率 MOSFET,以高效率提升功率密度。Shuming 拥有德国不来梅大学博士学位,并拥有 30 多项专利。

关键字:功率  mosfet

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0222/article_5113.html
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