MOS器件雖然漏極電流可以達(dá)到數(shù)安培,漏源電壓可以達(dá)到100V以上,但是由于漏源電阻大、頻率特性差、硅片面積利用率低等缺點(diǎn),使得MOSFET在功率上有很大的限制。隨著VMOS技術(shù)移植到MOS功率器件后,VMOSFET的耐壓可達(dá)到1000V以上,電流處理能力可達(dá)到幾百安培。這得益于VMOSFET短溝道、高電阻漏極漂移區(qū)和垂直導(dǎo)電電路等特點(diǎn)。VMOSFET具有VVMOS和VDMOS兩種結(jié)構(gòu),下面分別來說說。
VVMOS結(jié)構(gòu)介紹
VVMOS結(jié)構(gòu)示意圖
如上圖所示,這種結(jié)構(gòu)是在N+襯底和N-漂移層上,先后進(jìn)行P型區(qū)N+型區(qū)兩次擴(kuò)散,然后利用晶體硅的各向異性刻蝕技術(shù),造出V型槽。槽的開口深度由開口寬度決定,槽壁和硅平面成54.7°。漏極從管子背面引出。這種結(jié)構(gòu)改變了MOSFET的電流方向,不再是延表面水平方向流動(dòng),而是從N+區(qū)域出發(fā),經(jīng)過與表面成54.7°的N溝道流到N-漂移區(qū),然后垂直的流動(dòng)到漏極。
VDMOS結(jié)構(gòu)介紹
VDMOS管結(jié)構(gòu)示意圖
VDMOS主要應(yīng)用在大功率場(chǎng)景,其結(jié)構(gòu)如上圖所示,VDMOS的意思是垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu),和VVMOS不同,它不利用V型導(dǎo)電槽構(gòu)成導(dǎo)電溝道,而是利用兩次擴(kuò)散形成的P型區(qū)和N+型區(qū),在硅片表面的結(jié)深度之差形成導(dǎo)電溝道。電流在溝道內(nèi)沿表面流動(dòng),然后垂直的被漏極接收。下面來詳細(xì)分析一下。
VDMOS管的襯底是一個(gè)N+襯底,其上外延生長(zhǎng)一個(gè)高阻N-型層,最終形成一個(gè)N-漂移層,該層的電阻率和外延厚度決定了器件的耐壓水平。在N-外延上經(jīng)過P型和N型兩次擴(kuò)散,形成了N+_N-_P_N+的結(jié)構(gòu),這樣兩次擴(kuò)散深度差形成的P體區(qū)就形成了一個(gè)MOS柵結(jié)構(gòu)。柵極零偏壓時(shí),阻隔圖中電流Id通過。當(dāng)柵極正偏壓超過開啟電壓Vt時(shí),溝道由P型區(qū)變成N+型,整個(gè)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。由于依靠N溝道來導(dǎo)電,所以成為N溝道VDMOS管。反之,就是P溝道VDMOS管。由于電子的遷移率比空穴高三倍左右,N溝道的工藝比較常用,相反P溝道器件的成本價(jià)格就會(huì)比較高。
VMOSFET的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)
說了那么多VMOSFET的結(jié)構(gòu)原理,下面來說說我們使用VMOSFET到底有什么優(yōu)點(diǎn)。
高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)電流
開關(guān)速度快、高頻特性好
負(fù)電流溫度系數(shù)、熱穩(wěn)定性好,不會(huì)導(dǎo)致溫度越高,載流子運(yùn)動(dòng)越快,從而導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高的惡性循環(huán)。如下圖所示。
VMOS負(fù)溫度系數(shù)示意圖
安全工作區(qū)域大,得益于VMOSFET的負(fù)溫度系數(shù),其不存在局部熱點(diǎn)和電流集中等問題,只要設(shè)計(jì)合理,可以避免二次擊穿。如下圖。
VMOS的安全工作區(qū)示意圖
高線性化跨導(dǎo)Gm:由于VMOS器件的溝道比傳統(tǒng)MOS管更短,當(dāng)Vgs上升到一定值后,Gm就保持不變,出現(xiàn)溝道飽和效應(yīng),如下圖所示。
VMOS高線性跨導(dǎo)示意圖
幾乎線性的轉(zhuǎn)移特性,放大信號(hào)時(shí)失真極小,如下圖所示。
VMOS轉(zhuǎn)移特性比較示意圖
審核編輯:劉清