LDMOS和VDMOS

2012-02-11 17:14:28来源: 互联网
DMOS与CMOS器件结构类似,也有源、漏、等电极,但是漏端击穿电压高。DMOS主要有两种类型,垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOSFET(vertical double-diffused MOSFET)和横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET(lateral double-dif fused MOSFET)。

  LDMOS

  LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体)

  结构见图

  在高压功率集成电路中常采用高压LDMOS满足耐高压、实现功率控制等方面的要求,常用于射频功率电路。

  与晶体管相比,在关键的器件特性方面,如增益、线性度、开关性能、散热性能以及减少级数等方面优势很明显。

  LDMOS由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。LDMOS是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是 在相同的源/漏区域注入两次,一次注入浓度较大(典型注入剂量 1015cm-2)的砷(As),另一次注入浓度较小(典型剂量1013cm-2)的硼(B)。注入之后再进行一个高温推进过程,由于硼扩散比砷快,所以 在栅极边界下会沿着横向扩散更远(图中P阱),形成一个有浓度梯度的沟道,它的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。为了增加击穿电压,在有源区和漏 区之间有一个漂移区。LDMOS中的漂移区是该类器件设计的关键,漂移区的杂质浓度比较低,因此,当LDMOS 接高压时,漂移区由于是高阻,能够承受更高的电压。图1所示LDMOS的多晶扩展到漂移区的场氧上面,充当场极板,会弱化漂移区的表面电场,有利于提高击 穿电压。场极板的作用大小与场极板的长度密切相关。要使场极板能充分发挥作用,一要设计好SiO2层的厚度,二要设计好场极板的长度。

  LDMOS制造工艺结合了BPT和砷化镓工艺。与标准MOS工艺不同的是,在器件封装上,LDMOS没有采用BeO氧化铍隔离层,而是直接 硬接在衬底上,导热性能得到改善,提高了器件的耐高温性,大大延长了器件寿命。由于LDMOS管的负温效应,其漏电流在受热时自动均流,而不会象双极型管 的正温度效应在收集极电流局部形成热点,从而管子不易损坏。所以LDMOS管大大加强了负载失配和过激励的承受能力。同样由于LDMOS管的自动均流作 用,其输入-输出特性曲线在1dB 压缩点(大信号运用的饱和区段)下弯较缓,所以动态范围变宽,有利于模拟和数字电视射频信号放大。LDMOS在小信号放大时近似线性,几乎没有交调失真, 很大程度简化了校正电路。MOS器件的直流栅极电流几乎为零,偏置电路简单,无需复杂的带正温度补偿的有源低阻抗偏置电路。

  对LDMOS而言,外延层的厚度、掺杂浓度、漂移区的长度是其最重要的特性参数。我们可以通过增加漂移区的长度以提高击穿电压,但是这会增加芯片面积和导通电阻。高压DMOS器 件耐压和导通电阻取决于外延层的浓度、厚度及漂移区长度的折中选择。因为耐压和导通阻抗对于外延层的浓度和厚度的要求是矛盾的。高的击穿电压要求厚的轻掺 杂外延层和长的漂移区,而低的导通电阻则要求薄的重掺杂外延层和短的漂移区,因此必须选择最佳外延参数和漂移区长度,以便在满足一定的源漏击穿电压的前提 下,得到最小的导通电阻。

  LDMOS在以下方面具有出众的性能:

  1.热稳定性;2.频率稳定性;3.更高的增益;4.提高的耐久性;5.更低的噪音;6.更低的反馈电容;7.更简单的偏流电路;8.恒定 的输入阻抗;9.更好的IMD性能;10.更低的热阻;11.更佳的AGC能力。LDMOS器件特别适用于CDMA、W-CDMA、TETRA、数字地面 电视等需要宽频率范围、高线性度和使用寿命要求高的应用。

  卓越的效率,可降低功率消耗与冷却成本

  卓越的线性度,可将信号预校正需求降到最低优化超低热阻抗,可缩减放大器尺寸与冷却需求并改善可靠度

        卓越的尖峰功率能力,可带来最少数据错误率的高 3G 数据率高功率密度,使用较少的晶体管封装超低感抗、回授电容与串流闸阻抗,目前可让 LDMOS 晶体管在双载子器件上提供 7 bB 的增益改善直接源极接地,提升功率增益并免除 BeO 或 AIN 隔离物质的需求在 GHz 频率下拥有高功率增益,带来更少设计步骤、更简易更具成本效益的设计 (采用低成本、低功率驱动晶体管)

  运作面

  绝佳的稳定性,由于负汲极电流温度常数,所以不受热散失的影响比双载子更能忍受较高的负载未匹配现象 (VSWR),提高现场实际应用的可靠度卓越的射频稳定度,在闸极与汲极间内置隔离层,可以降低回授电容在平均无故障时间 (MTTF) 上有相当好的可靠度

  1.LDMOS,即横向双扩散金属-氧化物-半导体, 一般N-LDMOS比较常见,是通过源的N+和下面的P-共同扩散来形成沟道的,由于沟道与正常的MOS管没什么区别,所以开启电压可以做到与普通MOS差不多, 另外,LDMOS一般用于高压功率电路,通过漂移区低的搀杂浓度来承受漏端高的电压;

  2. LDMOS为什么可以承受高压: 因为漂移区低搀杂的存在,LDMOS大部分电压都会降落在此区域,从而保证沟道处电压较低,那么如何实现LDMOS的高压呢?最早提出的RESUF原理成功的实现了LDMOS的高压应用,即优化外延N-层浓度与衬底浓度,使二者接近,可以达到高压,但这个条件仅是必要条件,要实现高压,P-和外延N-界面的击穿也是一个薄弱环节,同时表面沟道尽头,场氧边缘都是电场集中的位置,为了使击穿发生在漏下边的N-与衬底结,RESUF原理要求在P-与N-外延层电场达到临界值之前,整个漂移区全部耗尽,这样就可以使表面电场强度得到最大程度的降低,从而实现高压应用,如700V-1200V, 当然,一个很重要的问题是, Rdson与漂移区搀杂浓度相反,为实现高压,一般漂移区浓度都比较低,这就极大的增加了Rdson, 为了降低开态电阻, 在漂移区表面增加P环的结构被发明出来,通过表面P-TOP,不但可以降低表面电场,还可以在保持击穿电压不变的情况下,增加漂移区约50%的搀杂,从而很大程度地降低了开态电阻,当然,具体浓度,尺寸,位置是存在优值的,需要模拟与实际流片相结合来获得最佳条件, 另外, P型中间层等其他降低开态电阻的结构也早有人提出,因为会增加工艺的复杂度和模拟的准确度,实际应用的不多;

  除了有P-TOP的双RESURF原理以外,场板结构, 双层浮空场板结构都用于降低表面电场,提高击穿电压.

  VDMOS

  垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点,无论是开关应用还是线形应用,VDMOS都是理想的功率器件,VDMOS主要应用于电机调速、逆变器、不间断电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子镇流器等。

  特征:

  接近无限大的静态输入阻抗特性,非常快的开关时间,导通电阻正温度系数,近似常数的跨导, 高dV/dt。

  

 

  80年代以来,迅猛发展的超大规模集成电路技术给高压大电流半导体注入了新的活力,一批新型的声控功放器件诞生了,其中最有代表性的产品就是VDMOS声效应功率晶体管。

  这种电流垂直流动的双扩散MOS器件是电压控制型器件。在合适的栅极电压的控制下,半导体表面反型,形成导电沟道,于是漏极和源极之间流过适量的电流

  VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点。与双极晶体管相比,它的开关速度,开关损耗小;输入阻抗高,驱动功率小;频率特性好;跨导高度线性。特别值得指明出的是,它具有负的温度系数,没有双极功率的二次穿问题,安全工作区大。因此,不论是开关应用还是线性应用,VDMOS都是理想的功率器件。

  现在,VDMOS器件已广泛应用于各种领域,包括电机调速、逆变器、不间断电源、开关电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子镇流器等。由于VDMOS的性能价格比已优于双极功率器件,它在功率器件市声中的份额已达42%。并将继续上升。

关键字:LDMOS  VDMOS

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0211/article_14184.html
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