ОБЗОР СТРУКТУР СИЛОВЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ

​A REVIEW ON POWER MOSFET DEVICE STRUCTURES

Mishustin Alexander Ivanovich

Student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

 В статье представлен всесторонний обзор различных силовых структур МОП-транзисторов, которые были разработаны за последнее десятилетие. Изучаются различные структуры силовых МОП-транзисторов, таких как LDMOS, VDMOS, МОП-транзисторы с V-образной канавкой, МОП-транзисторы с желобчатым затвором, FLIMOS, SJ-МОП-транзисторы и напряженные МОП-транзисторы Si, и анализируются вопросы, связанные с их производительностью, на основе следующих параметров: в основном, сопротивления во включенном состоянии и напряжения пробоя.

ABSTRACT

The paper presents the comprehensive review on the various Power MOSFET structures that have been developed during the past decade. Various structures of Power MOSFET like LDMOS, VDMOS, V-Groove MOS, Trench Gate MOS, FLIMOS, SJ-MOS, and Strained Si MOS are studied and issues related to their performance are analyzed on the basis of following parameters: on-state resistance and breakdown voltage mainly, as trade-off should be maintained between them while designing the structure of Power MOSFET.

Ключевые слова: Силовой МОП-транзистор, сопротивление во включенном состоянии, пробивное напряжение, VDMOS, SJ-MOS.

Keywords: Power MOSFET, On-state resistance, Breakdown Voltage, VDMOS, SJ-MOS.

Введение

Силовые МОП-транзисторы были разработаны с целью создания транзисторов, которыми можно управлять, используя более низкие уровни мощности возбуждения затвора. Это трехполюсное устройство, состоящее из источника, затвора и стока, как показано на рис. 1. Это также устройство, управляемое напряжением, которое является однополярным и требует очень малого тока затвора для включения устройства [1]. Электропроводность обусловлена протеканием одиночной несущей, следовательно, нет проблем с хранением неосновных носителей, поэтому скорость работы высока [2].

Рисунок 1. Обозначение устройства

Благодаря превосходной скорости переключения он может использоваться в качестве идеального переключателя. Скорость подачи и снятия заряда с МОП-транзистора ограничивает скорость его переключения [3]. Использование силовых МОП-транзисторов выгодно по сравнению с любыми другими силовыми полупроводниковыми приборами из-за их большой безопасной рабочей зоны (SOA), высокой скорости переключения, высокого входного сопротивления [4; 5], возможности параллельной работы [6] и масштабирования устройств. Другие преимущества заключаются в том, что это устройство с мажоритарной несущей, оно имеет рабочую частоту более 100 кГц, а его сопротивление включению (Ron) имеет положительный температурный коэффициент [1].

Рисунок 2. Соотношение Ron и Vb

Две основные характеристики, связанные с силовыми устройствами, заключаются в том, что они должны иметь высокое напряжение пробоя (Vb) в выключенном состоянии и высокую пропускную способность по току во включенном состоянии [7]. При проектировании конфигурации силовых МОП-транзисторов необходимо соблюдать баланс между сопротивлением во включенном состоянии (Ron) и напряжением пробоя (Vb) [4]. Обычно силовые МОП-транзисторы имеют высокое сопротивление во включенном состоянии (Ron). Взаимосвязь между Ron и Vb показана на рис. 2.

Параметры силового МОП-транзистора

A. Сопротивление во включенном состоянии Ron - это общее сопротивление между выводами истока и стока во включенном состоянии, которое выражается как сумма сопротивления канала, сопротивления рассеивания, сопротивления подложки и объемного сопротивления полупроводника, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Структура N-канального силового МОП-транзистора

                                     (1)

                                               (2)

Rch - обратное сопротивление канала, и оно обратно пропорционально ширине канала, Ra - сопротивление растеканию области накопления, сформированной на поверхности эпитаксиального слоя, Rdo - сопротивление объемного полупроводника и области стока, а Rsub - сопротивление подложки. Rdo далее делится на RJFET и Rd, где RJFET - это сопротивление распространению в пространстве между областями p-образного тела, также называемыми Сопротивление области JFET, а Rd - это сопротивление, возникающее под p-образным корпусом до верхней части подложки [7]. То расчетное сопротивление устройства должно быть низким; в противном случае большой ток приведет к огромным потерям мощности [4]. Повторяющиеся лавинные циклы при очень высокой температуре вызывают высокое напряжение в силовом МОП-транзисторе, поэтому Ron может быть уменьшен с увеличением количества лавинных циклов [3].

Б. Напряжение пробоя Напряжение пробоя (Vb) - это максимальное напряжение между стоком и источником, с которым может справиться МОП, не вызывая лавинного пробоя. Существует пять основных факторов, которые управляют пробоем: лавинный, сквозной, пробойник, стабилитрон и пробой диэлектрика. Значение Ron обычно увеличивается с увеличением напряжения пробоя, в то время как желательно иметь низкие значения Ron и высокие значения напряжения пробоя. Этот компромисс затрудняет определение оптимального легирования и толщины n-эпитаксиального слоя [7]. поскольку блокирующее напряжение зависит от концентрации легирующего вещества и толщины эпитаксиального слоя (tnepi) в области дрейфа [5]. Чем ниже значения tnepi, равного 5 мкм, Vb падает, что указывает на пробитие. При увеличении Vb шаг половинной ячейки уменьшается с 11 до 10 мкм. Но ниже 10 мкм Vb больше не увеличивается, поскольку затвор действует как магнитная пластина, которая оптимизирует распределение электрического поля. Vb также увеличивается при замене материала с Si на SiC, поскольку критическое поле SiC в 8 раз больше, чем Si, поскольку величина Vb пропорциональна квадрату критического поля [1].

В. Пороговое напряжение

Пороговое напряжение (Vt) МОП-транзистора определяется как напряжение на затворе, когда на границе раздела между оксидным слоем и корпусом подложки МОП-транзистора образуется инверсионный слой, который обеспечивает прохождение тока. Типичный силовой МОП-транзистор имеет диапазон напряжений от 2 до 4 В для высоковольтных устройств с высокой толщиной оксидов затвора и от 1 до 2 В для низковольтных устройств с тонкими оксидами затвора [7]. Пороговое напряжение устройства не должно быть настолько малым, чтобы обеспечить достаточный уровень шума [1].

Рисунок 4. Температура при включенном сопротивлении

Г. Влияние температуры Температура не влияет на скорость переключения и потери, но пороговое напряжение изменяется, поскольку оно имеет отрицательный температурный коэффициент, поэтому пороговое напряжение уменьшается с повышением температуры. Передаточная характеристика МОП-транзистора зависит как от температуры, так и от тока стока. При токе ниже 100 А напряжение на затворе-источнике имеет отрицательный температурный коэффициент, а при токе выше 100 А - положительный температурный коэффициент. Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, и Ron также изменяется в зависимости от изменения температуры. температура. Как видно на рис. 4, сопротивление включению увеличивается почти вдвое при температуре от 25°C до 125°C. Температурный коэффициент Ron всегда положительный, поскольку используется только для большинства несущих. Положительный температурный коэффициент Ron обеспечивает термическую стабильность при параллельном подключении силовых МОП-транзисторов [3].

РАЗЛИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ СИЛОВЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ.

Существует, в основном, два типа структур силовых МОП-транзисторов, а именно: VDMOS (вертикально рассеиваемый MOSFET) и LDMOS (поперечно рассеиваемый MOSFET) (также известный как плоский MOSFET) различаются в зависимости от типа рассеяния. VDMOS и LDMOS являются производными от технологии DDMOS (MOSFET с двойным рассеянием).

Рисунок 5. Структура LDMOS

A. Металло-оксидный полупроводник с боковым рассеянием (LDMOS) В этой структуре ток и пробивное напряжение зависят от ширины и длины канала соответственно. На рис. 5 показана базовая структура LDMOS. Основным недостатком LDMOS является его канал с высоким сопротивлением; следовательно, эта структура не является универсальной. Напряжение пробоя LDMOS находится в диапазоне от 20 до 80 В [3]. Эти устройства не подходят для использования в системах электроснабжения из-за сквозного пробоя [5]. В плоских MOS сопротивление включению может быть уменьшено на 23% путем изменения шага половинной ячейки с 10 до 6 микрометров с использованием метода оптимизации ширины затвора. Другие методы включают дополнительное легирование области JFET, что снижает сопротивление включению на 8,3%, и использование SiC вместо Si для снижения сопротивления включению на 31% [7] B. Вертикально рассеянный металлооксидный полупроводник (VDMOS) В VDMOS номинальное напряжение зависит от толщины эпитаксиального слоя и легирования, а номинальный ток зависит от ширины канала. Таким образом, MOSFET поддерживает как высокое напряжение блокировки, так и высокий ток.

Рисунок 6. Структура VDMOS.

Вертикальное поперечное сечение устройства VDMOS показано на рис. 6. В этом случае источник находится над стоком, поэтому ток течет в основном в вертикальном направлении, когда оно включено [7]. В настоящее время в основном изготавливаются устройства с вертикальной конструкцией, поскольку в них токоподводящие клеммы расположены на противоположной поверхности, благодаря чему поддерживается равномерный ток [4]. В VDMOS есть сток к источнику ток утечки, который возникает из-за расположения транзисторной ячейки в области источника. Эта утечка может быть устранена при изготовлении устройство за счет сокращения времени плазменного травления [6]. В этой структуре присутствует сопротивление JFET, которое увеличивает общее сопротивление устройства [5]. Это сопротивление может быть уменьшено путем изменения структуры VDMOS, как описано ниже.

Рисунок 7. Конструкция МОП-транзистора с траншейным затвором [7]

C. Траншейный металлооксидный полупроводник (Trench MOS) За последние несколько лет индустрия силовых МОП-транзисторов перешла на транзисторные затворы. Они также широко известны как U-МОП-транзисторы, показанные на рисунке 7. Сопротивление включению уменьшается за счет устранения области JFET и малого шага ячейки [7]. В этом случае на вертикальных боковых стенках желоба образуется канал, таким образом, ток направляется по вертикальному пути, поэтому сопротивление JFET устраняется [4]. Удельное сопротивление включению уменьшается на 60% по сравнению с планарным МОП при том же значении легирования [7] в желобчатой структуре. Недостатком является задержка переключения из-за заряда затвора. Поэтому заряд затвора должен быть уменьшен без влияния на сопротивление включению, а скорость может быть увеличена. Тот самый n+ - в затворе введен p-переход, который уменьшает заряд затвора на 49,5% без изменения Ron [14]. Инвертированный L-образный полевой МОП-транзистор с источником питания снижает Ron на 30% [2]. МОП-транзистор боковой мощности, в котором сформирован двойной расширенный желобчатый затвор [2], обеспечивает улучшение Vb и Ron на 36% и 64% соответственно. При этом в область дрейфа и подложку вводятся дополнительные заряды, что оптимизирует распределение электрического поля в устройстве. U-образная конструкция имеет диапазон напряжений от 35 до 45 В с способность выдерживать ток 1А при включенном сопротивлении составляет 0,21 миллиом [7]. В работе [3] предложен новый траншейный МОП-транзистор с заглубленным интерфейсом-стоком, который обеспечивает сверхнизкое сопротивление 0,85 мом/см2 при напряжении пробоя 133 В.

D. Металло-оксидный полупроводник с V-образной канавкой (MOS-MOS с V-образной канавкой) Вертикальный DMOSFET с V-образной канавкой или VMOS-транзистор V-образной канавки состоит из поля, основанного на несущей основной проводимости, длина канала которого определяется двумя коэффициентами рассеяния [5].

Рисунок 8. МОП-структура с V-образной канавкой [7]

Конструкция с V-образной канавкой не имеет области JFET, поэтому сопротивление включению этой конструкции низкое. В этом случае вдоль боковой стенки желобчатой конструкции образуется канал под углом, и подвижность держателя улучшается за счет уменьшения сопротивления включению устройства. Недостатком этой структуры является пробой оксида затвора из-за скопления электрического поля в усеченной вершине V-образной канавки. Чтобы избежать пробоя оксида, P-слой погружен в N-эпитаксиальный слой. В конструкции с V-образной канавкой наличие острых краев влияет на работу устройства пробоя, поэтому он используется только для низковольтных и сильноточных применений [4]. Напряжение пробоя будет больше или равно 50 В, а сопротивление - около 3 Ом [7]. На рис. 8 показана структура МОП-транзистора с V-образной канавкой.

F. Плавающий островок Металл-оксид-полупроводник (FLI-MOS) Устройство с вертикальным плавающим островком в обычном силовом МОП-транзисторе известно как FLI-MOSFET [4].

Рисунок 9. Обычная конструкция FLIMOS.

В этой конструкции треугольное распределение электрического поля в корпусе разделено на различные секции, так что величина пикового электрического поля может быть уменьшена путем введения заглубленных слоев P+ в область N-дрейфа [1], как показано на рис. 9. Образование обедненного слоя увеличивается с появлением плавающих колец P+, из-за чего концентрация легирования в области N-дрейфа увеличивается таким образом, что максимальное электрическое поле становится меньше поля пробоя, а сопротивление включению уменьшается [4] с уменьшением сопротивления доступа и дрейфа сопротивление. Традиционная структура имеет низкое сопротивление в низком диапазоне напряжений, но при этом возникает эффект квазинасыщения, поэтому в [4] концепция FLIMOS и MOS с траншейным затвором объединены для преодоления ограничений обычных FLIMOS. Эта структура (на рис. 9) снижает пиковый электрический ток на 30%, что улучшает показатели Ron и Vb. Это устройство выходит за пределы, установленные для одного плавучего островка P+, и имеет низкое сопротивление включению, которое в 10 раз ниже [5; 7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье рассматриваются различные структуры силовых МОП-транзисторов и различные модификации, внесенные в эти структуры для обеспечения компромисса между Ron и Vb. Структура Si-SJ обеспечивает сверхнизкое сопротивление включению при высоком напряжении пробоя по сравнению с другими структурами, в которых основным материалом является Si, в то время как производительность других структур повышается. улучшен за счет использования материалов GaN и SiC. За последние годы в конструкции LDMOS, VDMOS и Trench gate MOS, FLIMOS и SJ-Si было внесено множество изменений, направленных на улучшение производительность устройства за счет снижения сопротивления во включенном состоянии. Производительность этих систем может быть повышена за счет использования гибридной комбинации вышеуказанных структур и других полупроводниковых материалов.

Список литературы:

1. Armstrong, G.A., Maiti, C.K. Technology computer aided design for Si, SiGe, GaAs integrated circuits. / G.A.Armstrong, C.K. Maiti – The institution of Engineering and Technology, UK, 2007.
2. Sentaurus Device User Guide. Version D-2010.03, March 2010. – Synopsys, Inc, 2010. – 1328 p
3. Sze, S.M. Physics of semiconductor devices / S.M. Sze, K.Ng. Kwok – «Wiley-Interscience». 2007. – 815 с.
4. Williams, Richard K., et al. "The Trench Power MOSFET: Part I—History, Technology, and Prospects." IEEE Transactions on Electron Devices 64.3 (2017): -  691 c.
5. Бубенников, А. Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем: Учеб. пособие для спец. «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники»./ А. Н. Бубенников – М.: Высш. шк., 1989. – 320 с.
6. Петров, М.Н. Моделирование компонентов и элементов интегральных схем [Электронный ресурс] : учебное пособие / М.Н. Петров, Г.В. Гудков. — Электрон. дан. — Санкт-Петербург : Лань, 2011. — 464 с.
7. Старосельский, В. И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники : учеб. пособие / В. И. Старосельский — М.: Высшее образование; Юрайт-Издат, 2009. — 463 с.