Power MOSFET IC的结构与电气特性

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1、Power MOSFET IC 的結構與電氣特性的結構與電氣特性Power MOSFET IC(以下簡稱為 MOSFET)廣泛應用在各種電源電路與汽車等領域，雖然最近幾年 MOSFET 在高速切換(switching)與低 ON 阻抗化有相當的進展，不過一般認為未來 MOSFET 勢必會朝高 性能方向發展，因此本文要介紹 MOSFET IC 的構造、電氣特性，以及今後技術發展動向。MOSFET IC 的構造的構造圖 1 是 N channel Power MOSFET IC 的斷面構造，本 MOSFET 的 gate 與 source 之間，亦即 gate pad 的 周圍設有可以防止靜電破壞

2、的保護二極體，因此它又稱為 body diode。馬達驅動電路與斷電電源供應器 (UPS)等 DC-AC 轉換 inverter 等應用的場合，保護二極體可以充分發揮它的特性。圖 1 Power MOSFET IC 的構造圖 2 是 MOSFET 的結構分類，由圖可知 MOSFET 結構上可以分成縱型與橫型兩種 type；縱型 type 還分成平板(planer)結構與溝槽(trench)結構兩種。表 1 是上述結構特徵與主要用途一覽。圖 2 Power MOSFET IC 的分類構造 縱型 橫型區分 低耐壓( 100V 以下)特性planer trench高耐壓(planer)低耐壓高耐壓耐

3、高壓化 低 ON 阻抗 化 低 Ciss (低 Qg) 低 Crss (低 Qgd ) 特徵 高耐壓、低電流 高速、高頻用途DC-DC converter 驅動小型馬達 汽車電機AC-DC switching 電源 UPS 電源inverterRF 增幅輸出 (行動電話) 數百 MHz數 GHz 高頻電力增幅 (基地台設備)表 1 Power MOSFET 的構造與用途縱型構造 縱型構造適用於高耐壓/低 ON 阻抗 MOSFET，目前中/高耐壓(VDSS=200V)的 MOSFET 大多採用縱型結 構。雖然部份低耐壓(VDSS=100V)的 MOSFET 也使用縱型結構，不過一般要求低容量、高

4、速 switching 特性的場合，平板(planer)結構比較有利；要求低 ON 阻抗特性時，則以溝槽(trench)結構比較適合。最 近幾年製程與加工設備的進步，溝槽結構的 MOSFET 在低容量化(低 Qg，Qgd 化)有相當的進展，因此 從應用面觀之縱型與溝槽結構的 MOSFET，兩者的低容量化特性已經沒有太大差異。如上所述縱型結 構的 MOSFET 具備高耐壓、低 ON 阻抗、大電流等特徵，所以適合當作 switching 元件使用。橫型構造 橫型構造最大缺點是不易符合高耐壓/低 ON 阻抗等要求，不過它低容量特性尤其是逆傳達容量(歸返容 量)Crss非常小。如圖 2(b)所示，ga

5、te 與 source 之間的容量被 field plate 遮蔽(shield)，因此結構上非常有 利。不過橫型構造的 cell 面積很大，單位面積的 ON 阻抗比縱型構造大，因此一般認為不適合 switching 元 件使用，只能當作要求高速/高頻等高頻增幅器常用的輸出控制元件(device)。今後發展動向 橫型構造比較適用於低耐壓 switching 元件，主要應用例如驅逐 CPU core 的 VR(Voltage Regulator)等等。 一般認為 VR 未來會朝向 0.8V/150A 方向發展，此外為支援遽變負載可作高速應答，例如電流站立應答 di/dt=400A/s 的速度特性

6、，未來勢必成為必備條件之一。由於低電壓化需求必需抑制電壓幅寬，相對的電壓變動容許值必需低於數十 mA 以下，然而複數電容並 聯的結果，卻造成電路基板變大等困擾，有效對策是提高電源 switching 的頻率，也就是說目前 200300kHz 的動作頻率，未來勢必將會被 25MHz CPU 驅動用 VRB(Voltage Regulator Block)取代。此 外基於高頻領域的動作性等考量，結構上比較有利的橫型構造則被納入檢討。由於橫型構造屬於source-source，因此要求高速性的 high side switch 已經採用橫型構造，low side switch(整流用)則利用縱 型結

7、構將晶片堆疊在同一 stem，藉此消除導線電感(inductance)進而形成高性能 MOSFET 元件。MOSFET IC 的應用的應用圖 3 是 MOSFET IC 主要用途與今後發展動向一覽；橫軸是元件的耐壓值 VDSS，縱軸是元件應用上的動 作頻率。圖 3 Power MOSFET IC 用途與發展趨勢(一).電源系統 電源系統要求 MOSFET IC 具備省能源(energy)、高效率、輕巧、小型、低噪訊(noise)、低高頻電流、高 可靠性，以及高速負載應答(峰值負載電流)等特性。在 switching 電源中，進展最快速的是 DC-DC converter 與驅動 CPU 的 V

8、R，尤其是驅動 CPU 的 VR，除了低電壓化/大電流化之外，今後更要求小型/ 高速化(高 化)，因此動作頻率(控制 IC 的 PWM 頻率)有高頻化的傾向。雖然目前主流是 200300KHz， 不過未來會逐漸朝 400700KHz，甚至 1MHz 高頻化方向提升。然而高頻化的結果，卻造成 MOSFET 的 switching 損失大幅增加，雖然 FOM(Figure Of Merit)是 MOSFET 高性能化的重要指標，不過基本上 降低 RDS(on)，Qgd才是根本對策。圖 4 是 Power MOSFET IC 的性能指標，亦即 FOM 改善經緯。圖 5 是 gate 內部阻抗 Rg

9、與電源效率的關係，由圖可知動作頻率 =300kHz 時，Rg會從 3 變成 0.5， 電源效率則改善 1%以上；如果動作頻率 =1MHz 時，電源效率則改善 5%以上。雖然 gate 內部阻抗 Rg 會隨著元件種類出現差異，不過動作 300kHz 頻率超過 以上高速動作時，建議讀者選用 Rg低於 2 的type。VR 用 MOSFET 的選擇重點如下:a. high side device 低 ON 阻抗(輸入電壓 Vin會改變優先度)。 低 Qgd特性。 低 gate 內部阻抗 Rg(低於 2)。b. high side device 超低 ON 阻抗(輸入電壓 Vin會改變優先度)。 低

10、Qgd特性。 低 Qg特性。 低 Crss/Ciss特性(輸入電壓 Vin會改變優先度)。 高速二極體特性(快速的逆復原時間 trr)。圖 4 低 Qgd與低 RD(an)化的發展動向圖 5 gate 内部阻抗與效率的依存性(二).汽車電機 例如引擎控制器、安全氣曩、ABS、HEV/FCEV 操控馬達、廢氣控制、車內 LAN 用繼電器代用品等， 電路系統內部都可以發現功率 MOSFET IC 的蹤影，由於這些控制系統涉及人身安全，因此除了高可靠 性之外，更要求 MOSFET 對所有破壞模式具備強大的耐量(承受能力；以下簡稱耐量)。有關廢氣控制與省能源問題，低 ON 阻抗特性的 MOSFET 非

11、常適合，不過為確保負載短路破壞耐量， 所以低 ON 阻抗特性往往受到某種程度的犧牲，所幸的是具備過溫度遮斷功能的熱能(thermal)FET 已經 商品化，而內建智慧型(intelligent)電路，以保護電路簡略化/高可靠性為訴求，以及附設保護負載短路+ 自我診斷輸出端子、內建可以檢測溫度/電流功能的晶片，已經正式進入研發階段。(三).馬達驅動應用 以往 MOSFET IC 的馬達驅動應用，主要是印表機、影印機、硬碟機等電腦與事務機器領域，最近幾年 這些機器基於高速送紙、高速起動、高速停止的市場需求壓力，以及要求提高馬達的控制精度等來自設 計者的需求，因此採用同時具備高速應達(respons

12、e)，與低損失、低耐壓功率 MOSFET IC 的 case 有逐年 增加的趨勢。此外上述應用基於成本考量大幅簡化驅動電路，因此以 P channel MOSFET 與 N channel MOSFET 補償 型(complementary)元件居多，由於動作頻率大多低於 50kHz，所以元件設計上非常重視低 ON 阻抗特性。雖然理論上 P channel MOSFET 的 ON 阻抗比 N channel MOSFET 大，不過隨著製程微細化，兩者幾乎 達到無差異程度。採用內建 P channel 與 N channel 耐壓低於 60V，外型封裝類似 SOP-8 小型元件的數 量也不斷增加

13、。(四).可攜式電子產品 使用電池驅動的大電流(數 A10A)可攜式電子產品，以筆記型電腦(Note BookPersonal Computer 以下簡稱為 NB-PC)最具代表性。NB-PC 的 AC 充電電源與電池切換選擇開關，以及各種負載開關(load switch)， 大多使用 P channel MOSFET；至於鋰離子電池的保護電路充放電開關，則使用小型封裝低 ON 阻抗的 P channel MOSFET。隨著筆記型電腦的高速化與處理資料容量遽增，必需提供更大的電流給 CPU，這意味著鋰離子電池的 動作電流也隨著提高。以往小型鋰離子電池 pack 大多是以呈密封狀態，因此大多使用

14、小型封裝低 ON 阻抗的 P channel MOSFET。目前耐壓-30V,RDS(on)=3.6mtyp，超低 ON 阻抗小型封裝的 LFPAK(SOP-8 pin compatible)已經商品化， RDS(on)=2.7typ同樣是小型封裝的產品 HAT1125H，則正在開發中。(五).Audio 應用 以往 Audio OP 增幅器大多採取類比方式，最近受到省電化的影響，Audio 設備也改用數位化 switching 技術。由於 Audio OP 增幅器的電源，大多使用電源變壓器與大容量電解電容，因此電源模組若改用 switching 電源，理論上可以獲得小型、輕巧、省電等多重效益

15、，不過實際上輸出模組的增幅器基於噪 訊、偏斜率 THD(Total Harmonic Distortion)等，Audio 設備特有的特性等考量，加上設備系統屬於類比 結構，因此無法期待功率增幅器整體的效率可以獲得改善。所幸的是電源模組與輸出增幅模組都導入 switching 技術，因此業者也逐漸改用數位化增幅器。未來數 位化增幅器適用於 以上 Audio 高功率輸出段，該輸出段與 switching 電源一樣，屬於 half bridge 與 full bridge 結構，可用 300MHz 以上動作頻率 switching。上述電路與 switching 電源一樣，high side 與

16、low side 元件都設有所謂的 dead time，需注意的是設定時 間過大的話，會有波形歪斜之虞。此外利用 PWM 變調作數十 ns 脈衝寬度控制，switching 速度太慢的 話，同樣會影響波形歪斜，因此 MOSFET IC 必需具備 100150V 的耐壓，數十 m 低 ON 阻抗特性， 數十 pF 以下低歸返(return)容量 Crss，加上低噪訊化的等高速 switching，與高 Vth(Vth3V)等特性。一般認為今後除了噪訊與波形歪斜問題之外，低電感化、低容量化的同時，勢必針對封裝與元件結構進 行特性提升，才能完全滿足以上的要求。(六).家電設備 事實上功率 MOSFET IC 是日常生活不可或缺的必要元件之一，例如日光燈 inverter 就是由 MOSFET IC 典型應用實例。今後 MOSFET IC 的應用，會擴展至液晶、電漿面板在內的各種平面顯示器，以及面板驅動用 sustain switching，與液晶電視