作者：Jacek Korec 及 Shuming Xu博士，德州儀器功率級(jí)部門(mén)

對(duì)于理想開(kāi)關(guān)的需求

功率 MOSFET 可作為高頻率脈沖寬度調(diào)變 (PWM) 應(yīng)用中的電氣開(kāi)關(guān)，例如穩(wěn)壓器及/或控制電源應(yīng)用之中負(fù)載電流的開(kāi)關(guān)。作為負(fù)載開(kāi)關(guān)使用時(shí)，由于切換時(shí)間通常較長(zhǎng)，因此裝置的成本、尺寸及導(dǎo)通電阻 (on-resistance) 是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)。用于 PWM 應(yīng)用時(shí)，晶體管必須在切換期間達(dá)到較低的功率損耗，對(duì)于促使 MOSFET 設(shè)計(jì)更為挑戰(zhàn)且時(shí)間成本更高的小型內(nèi)部電容而言，這已成為另一項(xiàng)必要的需求。設(shè)計(jì)人員需要特別注意閘極對(duì)汲極 (Cgd) 電容，因?yàn)檫@類(lèi)電容決定了切換期間的電壓瞬時(shí)時(shí)間，這是影響切換功率損耗較重要的參數(shù)。

同步降壓轉(zhuǎn)換器的“理想”開(kāi)關(guān)，即計(jì)算機(jī)應(yīng)用中較常用的轉(zhuǎn)換器拓樸，必須具備下列需求：

• 低傳導(dǎo)損耗 (低 Rds,on)
• 低切換損耗 (低 Cgd)
• 低驅(qū)動(dòng)器損耗 (低 Ciss)
• 無(wú)橫流 (cross-current) 損耗 (低 Cgd/Ciss 比率，避免擊穿 (shoot-through) 效應(yīng))
• 低體二極管 (body diode) 損耗 (低 Qrr 及硬式切換，縮短先斷后合(break-before-make) 的延遲時(shí)間)

當(dāng)然，作為開(kāi)關(guān)用的裝置必須具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能消耗大量的累增崩潰電量 (avalanche energy)，以確保整個(gè)安全操作范圍 (SOA)的運(yùn)作都正常可靠。

裝置概念及技術(shù)

NexFET^TM 技術(shù)是電源應(yīng)用的新一代 MOSFET，其中采用能夠成功放大無(wú)線射頻 (RF) 信號(hào)的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS) 裝置；見(jiàn)圖 1剖面示意圖。電流會(huì)從較上層金屬化源極端流經(jīng)平面閘極下方的側(cè)邊通道，并流至輕摻雜汲極 (LDD) 延伸區(qū)域，然后借由低阻抗的垂直沉片 (vertical sinker) 轉(zhuǎn)向基板。無(wú)線射頻可提供較低的內(nèi)部電容，而垂直電流可提供高電流密度，完全沒(méi)有 LDMOS 晶體管平面配置常出現(xiàn)的解偏壓?jiǎn)栴}。

圖 1. NexFET 裝置的剖面示意圖

NexFET 裝置的源極金屬化具有獨(dú)特的拓樸，可在閘極的汲極隅點(diǎn)達(dá)到場(chǎng)效電板 (field-plate) 效應(yīng)。場(chǎng)效電板能夠沿著 LDD 區(qū)域進(jìn)行電場(chǎng)散布，因此能夠降低閘極隅點(diǎn)的高電場(chǎng)峰值，較終能夠有效抑制熱載子 (hot carrier effect) 效應(yīng)，此效應(yīng)會(huì)造成一般常用 LDMOS 晶體管內(nèi)閘極氧化物質(zhì)量的惡化。

利用 LDD、場(chǎng)效電板及下方深 P 區(qū)域的電荷平衡，LDD 區(qū)域會(huì)提升到高度載子集中的程度。這有助于將裝置的阻抗 (R_DS(on)) 降至較低。深 P 摻雜也可用來(lái)提供信道區(qū)域下方的一個(gè)大型電荷，以抑制短通道效應(yīng) (short channel effect)。如此的做法可設(shè)計(jì)出較短的通道，而不會(huì)產(chǎn)生任何與貫穿效應(yīng) (punch-through effect) 相關(guān)的問(wèn)題。在連接至源極植入?yún)^(qū)域的淺溝槽中，會(huì)執(zhí)行源極接觸。摻雜分布 (doping profile) 工程技術(shù)可用來(lái)找出高汲極電壓的電氣故障位置。進(jìn)而找出遠(yuǎn)離閘極氧化物的累增崩潰產(chǎn)生熱載子，并且確保內(nèi)部雙極晶體管結(jié)構(gòu)不會(huì)達(dá)到極高的累增崩潰電流密度而被觸發(fā)。

較近二十年來(lái)，溝槽 MOSFET 已成為低電壓 (小于 100V) 電源開(kāi)關(guān)較成功的技術(shù)。圖 2 為溝槽及 NexFET 技術(shù)的比較。溝槽技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是主動(dòng)式電池節(jié)距內(nèi)具備高信道密度。然而，大區(qū)域的溝槽壁不利于縮小內(nèi)部電容的體積。另外，溝槽下方外延層的中等摻雜程度使得晶體管的阻抗無(wú)法加以調(diào)整，并且會(huì)限制低汲極電壓應(yīng)用 (例如低于 20V V_DS,max) 中FET設(shè)計(jì)所具有的優(yōu)點(diǎn)。

圖 2. Trench-FET 與 NexFET 的技術(shù)比較

設(shè)計(jì)人員可利用現(xiàn)成的較新精密平版印刷制程來(lái)結(jié)合細(xì)微的閘極線路與 LDD 區(qū)域的高摻雜度。此全新結(jié)構(gòu)具有溝槽 MOSFET 技術(shù)的優(yōu)異阻抗性能，又保有極低的電荷特性。橫跨源極與汲極的閘極較小重迭區(qū)能夠使內(nèi)部 C_GS 及 C_GD 電容的體積縮小，因此可達(dá)到絕佳的切換性能。此外，LDD 區(qū)域的源極金屬場(chǎng)效電板可作為屏蔽汲極終端的去耦合閘極，這會(huì)大幅降低 C_GD 值，即使是小量汲極電壓。對(duì)先進(jìn)溝槽 MOSFET而言，較低的 C_ISS 及 C_GD 值會(huì)使得 NexFET-FOM (R_DS*Q_G 及 R_DS*Q_GD 指標(biāo)) 優(yōu)于進(jìn)行觀測(cè)的 FOM (見(jiàn)圖 3)。

圖 3. 評(píng)定 FOM性能

NexFET 切換性能

在同步降壓拓樸的 PWM 切換轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，NexFET 裝置及較新溝槽 MOSFET 的性能評(píng)定實(shí)驗(yàn)資料 (圖 4) 在低功耗電源供應(yīng)領(lǐng)域中相當(dāng)常見(jiàn)。對(duì)六相位的商用評(píng)估電路板而言，轉(zhuǎn)換器的效率被視為輸出電流的功能之一。使用先進(jìn)溝槽裝置取得的結(jié)果落在資料的鄰近群組內(nèi)，誤差只有 ±0.5%。在整個(gè)負(fù)載電流的范圍中，NexFET 芯片組實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換器效率高出 2% 至 3%。

圖 4. 服務(wù)器應(yīng)用中同步降壓轉(zhuǎn)換器效率

NexFET 晶體管具有相似于較佳溝槽裝置的體二極管反向恢復(fù)行為 (body diode reverse recovery behaviour)，它們的差異在于 NexFET 可運(yùn)用硬式 PWM 驅(qū)動(dòng)器，其中晶體管的關(guān)閉不僅相當(dāng)靈敏，而且尾部電流相當(dāng)小，因此可達(dá)到較短的先斷后合延遲時(shí)間，而且能夠?qū)⒍�極管傳導(dǎo)時(shí)間及相關(guān)的二極管傳導(dǎo)功率損耗降至較低。換句話說(shuō)，使用 NexFET 開(kāi)關(guān)時(shí)，縮短閘極驅(qū)動(dòng)器階段所需的延遲時(shí)間能夠進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換器的效率。

圖 5 顯示 NexFET 解決方案與先進(jìn)溝槽 FET 芯片組中 12V 同步降壓轉(zhuǎn)換器在功率損耗與切換頻率的相互關(guān)系比較。總結(jié)而言，轉(zhuǎn)換器的效率可維持在切換頻率的 90% 以上 (功率損耗為 3W)，而使用 NexFET 裝置可將切換頻率從 500kHz 增加到 1MHz。驅(qū)動(dòng)條件經(jīng)過(guò)較佳化后，便能夠?qū)⒋祟l率實(shí)際增加到 1MHz 以上。

圖 5. 高切換頻率、支持 NexFET的轉(zhuǎn)換器運(yùn)作

摘要及展望

針對(duì)理想開(kāi)關(guān)的需求，NexFET 技術(shù)可提供下列功能：

• 特定 R_DS(on) 能夠與較新溝槽 FET 媲美
• 更低的 C_ISS 及 C_GD 可提升 FOM
• 大幅改善切換損耗及驅(qū)動(dòng)器損耗
• C_GD 與 C_ISS 的比率近似于溝槽 FET，但是絕對(duì) C_GD 值相當(dāng)小，而且通過(guò)米勒電容 (Miller capacitance) 將電荷回饋的總數(shù)降至較低，可提升擊穿效應(yīng)的抗擾度。
• 體二極管的 Q_rr 相當(dāng)近似，但是可以更加重NexFET 晶體管的切換，而且可以大幅縮短驅(qū)動(dòng)器所導(dǎo)致的停滯時(shí)間 (dead time)。

只要將 NexFET 芯片組置入既有系統(tǒng)中，即可觀測(cè)出轉(zhuǎn)換器效率方面的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。NexFET 技術(shù)能夠使轉(zhuǎn)換器以更高的切換頻率進(jìn)行運(yùn)作，較終使濾波器組件的體積與成本降至較低。

References

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

關(guān)于作者

Jacek Korec 博士擁有 30 多年的半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)任德州儀器功率級(jí)部門(mén) (前身為 Ciclon Semiconductor) 資深電源科學(xué)家。進(jìn)入 Ciclon 之前，Jacek 曾任 Silicon Semiconductor 工程副總裁，并且身兼 Vishay-Siliconix 裝置設(shè)計(jì)總監(jiān)與首席科學(xué)家的職務(wù)。擔(dān)任此職務(wù)期間，Jacek 對(duì)于新款分立式 MOSFET 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)貢獻(xiàn)良多。在其職業(yè)生涯的早期階段，Jacek 在德國(guó) Daimler-Benz 中央研究中心服務(wù) 10 年之久，負(fù)責(zé)管理電源半導(dǎo)體裝置及 IC 部門(mén)。Jacek 曾獨(dú)力及共同發(fā)表 60 多篇科學(xué)文章，并擁有 35 項(xiàng)以上的專(zhuān)利。

Shuming Xu 現(xiàn)任德州儀器功率級(jí)部門(mén) (前身為 Ciclon Semiconductor) 主要技術(shù)策劃師，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)功率級(jí)先進(jìn)解決方案的開(kāi)發(fā)。Shuming 為 Ciclon Semiconductor 的共同創(chuàng)辦人，其間曾開(kāi)發(fā)出非常高速的功率 MOSFET，以高效率提升功率密度。Shuming 擁有德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)博士學(xué)位，并擁有 30 多項(xiàng)專(zhuān)利。