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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作Power MOSFET IC的結構與電氣特性宇量 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的保護二極體
2、，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)高耐壓(planer)低耐壓高耐壓特性planertrench耐高壓化低ON阻抗化低Ciss (低Qg)低Crss (低Qgd
3、 )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
4、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，gate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s
5、witching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，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
6、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 MOS
7、FET 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VR，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
8、，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
9、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
10、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
11、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(response)，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
12、量也不斷增加。(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，因此大多使用小型封裝低ON阻抗的
13、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，不過實際上輸出模組的增幅器基於噪訊、偏斜率THD(Tot
14、al 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
15、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，與液晶電視的燈管驅動用inverter等領域。MOSFET IC的發展動向低電感化、低阻抗化封裝技術如上所述隨著壓比較器(regu
