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1、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。MOSFFET IC的的構造圖圖1是NN chhannnel Powwer MOSSFETT ICC的斷面面構造，本本MOSSFETT的gaate與與souurcee之間，亦亦即gaate padd的周圍圍設有可可以防止止靜電破破壞的保保護二極極體
2、，因因此它又又稱為bbodyy diiodee。馬達達驅動電電路與斷斷電電源源供應器器(UPPS)等等DC-AC轉轉換innverrterr等應用用的場合合，保護護二極體體可以充充分發揮揮它的特特性。 圖1 PPoweer MMOSFFET IC的的構造圖2是MMOSFFET的的結構分分類，由由圖可知知MOSSFETT結構上上可以分分成縱型型與橫型型兩種ttypee；縱型型typpe還分分成平板板(pllaneer)結結構與溝溝槽(ttrennch)結構兩兩種。表表1是上上述結構構特徵與與主要用用途一覽覽。圖2 PPoweer MMOSFFET IC的的分類構造縱型橫型區分低耐壓( 100V以
3、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 )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 PPoweer MMOSFFET的的構造與與用途縱型構構造縱型型構造適適用於高高耐壓/低ONN阻抗MMOSFFET，目目前中/高耐壓壓(VDDSS=2000V)的的MOSSFETT大多採採用縱型型結構。雖雖然部份份低耐壓壓(VDDSS=1000V)
4、的的MOSSFETT也使用用縱型結結構，不不過一般般要求低低容量、高高速swwitcchinng特性性的場合合，平板板(pllaneer)結結構比較較有利；要求低低ON阻阻抗特性性時，則則以溝槽槽(trrencch)結結構比較較適合。最最近幾年年製程與與加工設設備的進進步，溝溝槽結構構的MOOSFEET在低低容量化化(低QQg，QQgd化化)有相相當的進進展，因因此從應應用面觀觀之縱型型與溝槽槽結構的的MOSSFETT，兩者者的低容容量化特特性已經經沒有太太大差異異。如上上所述縱縱型結構構的MOOSFEET具備備高耐壓壓、低OON阻抗抗、大電電流等特特徵，所所以適合合當作sswittchiin
5、g元元件使用用。橫型構構造橫型型構造最最大缺點點是不易易符合高高耐壓/低ONN阻抗等等要求，不不過它低低容量特特性尤其其是逆傳傳達容量量(歸返返容量)Crsss非常常小。如如圖2(b)所所示，ggatee與soourcce之間間的容量量被fiieldd pllatee遮蔽(shiieldd)，因因此結構構上非常常有利。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(
6、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
7、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。MOSFFET IC的的應用圖圖3是MMOSFFET IC主主要用途途與今後後發展動動向一覽覽；橫軸軸是元件件的耐壓壓值VDDSS，縱縱軸是元元件應用用上的動動作頻率率。 圖3 PPoweer MMOSFFET IC用用途與發發展趨勢勢(一).電源系系統電源源系統要要求MOOSFEET IIC具備備省能源源(ennerggy)、高高效率、輕輕巧、小小型
8、、低低噪訊(noiise)、低高高頻電流流、高可可靠性，以以及高速速負載應應答(峰峰值負載載電流)等特性性。在sswittchiing電電源中，進進展最快快速的是是DC-DC connverrterr與驅動動CPUU的VRR，尤其其是驅動動CPUU的VRR，除了了低電壓壓化/大大電流化化之外，今今後更要要求小型型/高速速化(高高 化)，因此此動作頻頻率(控控制ICC的PWWM頻率率)有高高頻化的的傾向。雖雖然目前前主流是是20003000KHHz，不不過未來來會逐漸漸朝40007700KKHz，甚甚至1MMHz高高頻化方方向提升升。然而而高頻化化的結果果，卻造造成MOOSFEET的sswitt
9、chiing損損失大幅幅增加，雖雖然FOOM(FFiguure Of Merrit)是MOOSFEET高性性能化的的重要指指標，不不過基本本上降低低RDSS(onn)，QQgd才是是根本對對策。圖圖4是PPoweer MMOSFFET IC的的性能指指標，亦亦即FOOM改善善經緯。圖5是ggatee內部阻阻抗Rgg與電源源效率的的關係，由由圖可知知動作頻頻率=3000kHHz時，RRg會從33變成00.5，電源源效率則則改善11%以上上；如果果動作頻頻率=1MMHz時時，電源源效率則則改善55%以上上。雖然然gatte內部部阻抗RRg會隨著著元件種種類出現現差異，不不過動作作3000kHzz頻
10、率超超過 以以上高速速動作時時，建議議讀者選選用Rgg低於22的tyype。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 低低Qgdd與低RRD(ann)化的的發展動動向圖5 ggatee内部阻阻抗與效效率的依依存性(二).汽車電電機例如如引擎控控制器、安安全氣曩曩、ABBS
11、、HHEV/FCEEV操控控馬達、廢廢氣控制制、車內內LANN用繼電電器代用用品等，電電路系統統內部都都可以發發現功率率MOSSFETT ICC的蹤影影，由於於這些控控制系統統涉及人人身安全全，因此此除了高高可靠性性之外，更更要求MMOSFFET對對所有破破壞模式式具備強強大的耐耐量(承承受能力力；以下下簡稱耐量)。有有關廢氣氣控制與與省能源源問題，低低ON阻阻抗特性性的MOOSFEET非常常適合，不不過為確確保負載載短路破破壞耐量量，所以以低ONN阻抗特特性往往往受到某某種程度度的犧牲牲，所幸幸的是具具備過溫溫度遮斷斷功能的的熱能(theermaal)FFET已已經商品品化，而而內建智智慧型
12、(inntellliggentt)電路路，以保保護電路路簡略化化/高可可靠性為為訴求，以以及附設設保護負負載短路路+自我我診斷輸輸出端子子、內建建可以檢檢測溫度度/電流流功能的的晶片，已已經正式式進入研研發階段段。(三三).馬馬達驅動動應用以以往MOOSFEET IIC的馬馬達驅動動應用，主主要是印印表機、影影印機、硬硬碟機等等電腦與與事務機機器領域域，最近近幾年這這些機器器基於高高速送紙紙、高速速起動、高高速停止止的市場場需求壓壓力，以以及要求求提高馬馬達的控控制精度度等來自自設計者者的需求求，因此此採用同同時具備備高速應應達(rrespponsse)，與與低損失失、低耐耐壓功率率MOSSF
13、ETT ICC的caase有有逐年增增加的趨趨勢。此此外上述述應用基基於成本本考量大大幅簡化化驅動電電路，因因此以PP chhannnel MOSSFETT與N chaanneel MMOSFFET補補償型(commpleemenntarry)元元件居多多，由於於動作頻頻率大多多低於550kHHz，所所以元件件設計上上非常重重視低OON阻抗抗特性。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。(四)
14、.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P channel
15、MOSFET。目前耐壓壓-300V,RRDS(on)=3.6mtypp，超低低ON阻阻抗小型型封裝的的LFPPAK(SOPP-8 pinn coompaatibble)已經商商品化，RRDS(on)=2.7typp同樣是是小型封封裝的產產品HAAT11125HH，則正正在開發發中。(五).Auddio應應用以往往Auddio OP增增幅器大大多採取取類比方方式，最最近受到到省電化化的影響響，Auudioo設備也也改用數數位化sswittchiing技技術。由由於Auudioo OPP增幅器器的電源源，大多多使用電電源變壓壓器與大大容量電電解電容容，因此此電源模模組若改改用swwitcchinng電源源，理論論上可以以獲得小小型、輕輕巧、省省電等多多重效益益，不過過實際上上輸出模模組的增增幅器基基於噪訊訊、偏斜斜率THHD(TTotaal HHarmmoniic DDisttorttionn
