IC的结构与电气特性(doc 30)(1)

PowerMOSFETIC的結構與電氣特性宇量PowerMOSFETIC(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MOSFETIC的構造、電氣特性，以及今後技術發展動向。MOSFETIC的構造圖1是NchannelPowerMOSFETIC的斷面構造，本MOSFET的gate與source之間，亦即gatepad的周圍設有可以防止靜電破壞的保護二極體，因此它又稱為bodydiode。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1PowerMOSFETIC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2PowerMOSFETIC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)◎○○◎◎特徵高耐壓、低電流高速、高頻用途‧DC-DCconverter‧驅動小型馬達‧汽車電機‧AC-DCswitching電源‧UPS電源‧inverter‧RF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1PowerMOSFET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fieldplate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CPUcore的VR(VoltageRegulator)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/μs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200~300kHz的動作頻率，未來勢必將會被2~5MHzCPU驅動用VRB((VoltageRegulatorBlock)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highsideswitch已經採用橫型構造，lowsideswitch(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。MOSFETIC的應用圖3是MOSFETIC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3PowerMOSFETIC用途與發展趨勢(一).電源系統電源系統要求MOSFETIC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-DCconverter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200~300KHz，不過未來會逐漸朝400~700KHz，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(FigureOfMerit)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PowerMOSFETIC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ƒ=300kHz時，Rg會從3Ω變成0.5Ω，電源效率則改善1%以上；如果動作頻率ƒ=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2Ω的type。VR用MOSFET的選擇重點如下:a.highsidedevice‧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2Ω)。b.highsidedevice‧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5gate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MOSFETIC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MOSFETIC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(response)，與低損失、低耐壓功率MOSFETIC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PchannelMOSFET與NchannelMOSFET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PchannelMOSFET的ON阻抗比NchannelMOSFET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Pchannel與Nchannel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).可攜式電子產品使用電池驅動的大電流(數A~10A)可攜式電子產品，以筆記型電腦(NoteBookPersonalComputer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(loadswitch)，大多使用PchannelMOSFET；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PchannelMOSFET。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PchannelMOSFET。目前耐壓-30V,RDS(on)=3.6mΩtyp，超低ON阻抗小型封裝的LFPAK(SOP-8pincompatible)已經商品化，RDS(on)=2.7Ωtyp同樣是小型封裝的產品HAT1125H，則正在開發中。(五).Audio應用以往AudioOP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AudioOP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(TotalHarmonicDistortion)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halfbridge與fullbridge結構，可用300MHz以上動作頻率switching。上述電路與switching電源一樣，highside與lowside元件都設有所謂的deadtime，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MOSFETIC必需具備100~150V的耐壓，數十mΩ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MOSFETIC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MOSFETIC典型應用實例。今後MOSFETIC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sustainswitching，與液晶電視的燈管驅動用inverter等領域。MOSFETIC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(regulator)動作頻率的高頻化，今後除了改善元件的RDS(on)，Qg，Qgd，Rg特性之外，小型化封裝技術也是關鍵性技術。具體而言封裝上必需盡量降低source固定導線(bondingwire)阻抗RW、source/gate的電感成份Ls，Lg。以gate電感Lg為例，為了使gate容量Qg能在數ns時間內充電，所以gate電流Ig必需在數ns時間內站立。‧source電感會降低效率圖6是說明有關highside元件的source電感Ls的影響，它市針對source導線電感Ls內產生的電壓VLS與動作頻率，進行依存性計算獲得的結果。雖然SOP-8封裝的Ls取決於source導線長度、直徑、數量，不過即使如此，它的source導線電感Ls大約有2~5nH。5nH的場合，動作頻率超過3MHz的VLS，Id=10A時，超過1V在5MHz就會變成1.5V(Id變成20A大電流時，source導線電感Ls內產生的電壓VLS，分別變成2倍亦即:2V/3MHz,3V/5MHz)。至於highside的Tr1，該Ls會對g