【功率器件研究所】第二課：如何理解功率MOSFET規(guī)格書（2/4）

五．靜態(tài)參數(shù)

圖5.1IRFB11N50Adatasheet section 6

這里給出了結(jié)溫25度時(shí)的靜態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)常出現(xiàn)在各類測試數(shù)據(jù)報(bào)告中，是必測的參數(shù)之一。

1．漏源擊穿電壓V_(BR)DSS：

這個(gè)參數(shù)就是我們常說的BV_DSS，是指柵源電壓V_GS為0時(shí)，場效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓，也就是漏源間寄生二極管的反向擊穿電壓。一般定義為漏電流達(dá)到250uA時(shí)候的漏電壓。該擊穿也屬于雪崩擊穿范疇，只是我們一般測量的漏電流比較小，對(duì)于正常器件來說，不具有破壞性。

擊穿電壓V_(BR)DSS是我們衡量一個(gè)MOS器件的重要參數(shù)，它和導(dǎo)通電阻R_DS(on)都與器件的外延層厚度有關(guān)，并成正比（如圖5.2所示）。

圖5.2 Normalized R_DS(on) vs. V_(BR)DSS

也就是說，厚的外延層能帶來高的擊穿電壓，當(dāng)同時(shí)也會(huì)帶來大的導(dǎo)通電阻，這一點(diǎn)尤其在高壓器件中表現(xiàn)的最為明顯。如何平衡兩者的關(guān)系，是在設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)必須解決好的關(guān)鍵問題。

在目前的高壓器件工藝中，引入了所謂GuardRing的結(jié)構(gòu)，用以減緩結(jié)表面電場線的變化趨勢，防止電場線集中導(dǎo)致的提前擊穿現(xiàn)象。

圖5.3 ElectricFieldcrowdingforSingle Source

如圖5.3表示出了單個(gè)Source區(qū)域的電場線分布，兩圖中的箭頭方向均為電場線方向，從兩圖對(duì)比不難看出，（b）中的Source區(qū)域的電場線分布平滑及均勻，尤其是N+轉(zhuǎn)角的薄弱處受到的電場沖擊較少，這樣大大減少了由于電場集中而導(dǎo)致提前擊穿的問題。如果將多個(gè)Ring連接起來，就會(huì)得到圖5.4的電場線分布效果。

圖5.4 優(yōu)化后的邊緣結(jié)構(gòu)

此外，還有主結(jié)，場板等用于改善電場線的結(jié)構(gòu)也被廣泛的應(yīng)用。

2．飽和漏源電流I_DSS：

柵極電壓V_GS=0、V_DS為一定值時(shí)的漏源電流。

一般情況下，會(huì)給出兩組漏源電流，分別是常溫下100％額定電壓下的漏電流以及極限溫度下80％額定電壓下的漏電流。

如圖5.5，漏源電流在125℃以下會(huì)很小，在納安級(jí)別，當(dāng)超過這個(gè)溫度時(shí)，每上升10℃，電流就會(huì)增大約一倍。

圖5.5 I_DSS vs. Temperature

這里的I_DSS與之前的I_D不是一個(gè)概念。I_D主要由工藝中所選用外延決定，是一個(gè)計(jì)算的值。而I_DSS則是實(shí)際應(yīng)用中的電流值，是器件真實(shí)性能的一個(gè)表現(xiàn)。

3．柵源驅(qū)動(dòng)電流及反向電流I_GSS：

由于 MOSFET 輸入阻抗很大，I_GSS一般在納安級(jí)。

一般低壓產(chǎn)品的I_GSS測試電壓為20V，高壓產(chǎn)品的測試電壓為30V。

柵電流是用來確認(rèn)柵極質(zhì)量的，包括柵極與源極間的隔離情況以及柵氧的質(zhì)量。

4．開啟電壓（閥值電壓）V_GS(th)：

當(dāng)外加?xùn)艠O控制電壓V_GS超過V_GS(th)時(shí)，漏區(qū)和源區(qū)的表面反型層形成了連接的溝道。應(yīng)用中，常將漏極短接條件下I_D等于250uA時(shí)的柵極電壓稱為開啟電壓。

此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所降低（見圖5.6 不同溫度下的輸出特性曲線）。一般來說，高壓器件的開啟的規(guī)范為[2,4]，低壓器件的開啟規(guī)范為[1,2]，這是根據(jù)應(yīng)用時(shí)外部的CMOS和TTL電路的驅(qū)動(dòng)電壓來制定的。

(a)

(b)

圖5.6Typical Output Characteristics

(a)T_J=25?C; (b) T_J=150?C

具體的開啟電壓大小受柵氧厚度，P-body注入劑量及襯底摻雜濃度而決定。

5．導(dǎo)通電阻R_DS(on)：

在特定的V_GS（一般為普通驅(qū)動(dòng)電壓10V，或邏輯電路驅(qū)動(dòng)電壓4.5V）、結(jié)溫及漏極電流的條件下，MOSFET 導(dǎo)通時(shí)漏源間的最大阻抗。

R_DS(on)是一個(gè)非常重要的溫度敏感參數(shù)，決定了 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)的消耗功率。在25?C和110?C間，它的值近似變?yōu)閮杀叮ㄒ妶D5.7所示）?？紤]到MOSFET正常運(yùn)行時(shí)的結(jié)溫T_J不會(huì)低于25?C，故應(yīng)以此參數(shù)在最高工作結(jié)溫條件下的值作為損耗及壓降計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。

一般用150?C與25?C時(shí)的比值作為器件額定電流的計(jì)算因子（圖4.2）。這個(gè)因子一般在100V~900V的高壓器件中為2.5~2.8，小于100V的低壓器件為1.6~1.7。

通常R_DS(on)定義為V_G為10V時(shí)的值，這是由于當(dāng)V_G大于10V，R_DS(on)的變化就很小了，如圖5.7。

圖5.7 典型導(dǎo)通電阻曲線 

一個(gè)完整的R_DS(on)是由器件結(jié)構(gòu)中很多塊電阻串聯(lián)而成，其每部分的組成電阻結(jié)構(gòu)見圖5.8，

圖5.8 Origin ofInternal Resistance in a Power MOSFET

說明如下：

1）R_SOURCE：Source擴(kuò)散區(qū)的電阻（Sourcediffusionresistance）；

2）R_CH：溝道電阻（Channelresistance），這個(gè)電阻是低壓器件的R_DS(on)組成中最主要的部分（見圖5.10）；

3）R_A：堆積電阻（Accumulationresistance）；

4）R_J：兩個(gè)P-body區(qū)域間的JEFT電阻（JEFTcomponent-resistance）；

5）R_D：漂移區(qū)電阻（Driftregionresistance），也就是我們常說的EPI電阻，這個(gè)電阻是高壓器件的R_DS(on)組成中最主要的部分（如圖5.10）；

圖5.10  RelativeContributions to R_DS(on) With Different Voltage Ratings

6）R_SUB：襯底電阻（Substrateresistance）；

7）R_wcml：Source和Drain之間的金屬，金屬與硅之間以及封裝中的焊接金線等的金屬接觸電阻總和（Sum ofWire resistance）,這個(gè)電阻部分在高壓器件的R_DS(on)組成中，可以忽略不計(jì)，但在低壓器件中卻很重要（見圖5.10）。

如圖5.10，給出了R_DS(on)各部分組成電阻在不同工作電壓的器件中所占的比例，可以看出，在500V的高壓器件中，EPI電阻占了50％以上，這由于為了增加器件的耐壓而增厚EPI所導(dǎo)致的，但R_DS(on)過高會(huì)使器件功耗增大，容易發(fā)熱，影響器件的使用壽命，所以如何在BV_DSS和R_DS(on)之間選擇一個(gè)平衡的EPI厚度，是高壓器件設(shè)計(jì)人員的一個(gè)重大課題。

目前在業(yè)界評(píng)定R_DS(on)時(shí)，為了去除器件面積對(duì)其的影響，比較普遍的做法就是使用R_DS(on)和器件的有效管芯面積作為標(biāo)準(zhǔn)，稱為RSP，其定義的計(jì)算公式是：

RSP = R_DS(on)×Active Area  

（式5）