LDMOS工作原理简述,功率mos管工作原理

LDMOS工作原理简述,功率mos管工作原理,LDMOS工作原理简述?LDMOS是最早开发的可集成横向功率器件之一,也是目前最主流的功率集成器件,在功率集成电路中得到广泛应用[4-7]。自对准双扩散工艺的使用使得LDMOS器件即使在早期较大的光刻尺寸条件下,仍然可以具有相对较短的沟道长度和较低的导通电阻,此外低掺杂的漂移区能够支持较高的器件漏源间耐压。虽然LDMOS和垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS)的工作机制相同,但与VDMOS相比,LDMOS的三个电极——源极、栅极和漏极均在硅片表面,易于与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路集成,使得LDMOS在单片集成功率集成电路中更具吸引力。LDMOS根据应用电压等级的不同可划分为低压LDMOS、中压LDMOS和高压LDMOS。

低压LDMOS器件主要是指电压范围小于40 V的LDMOS。传统的低压LDMOS一般采用积累型结构,如图1(a)所示,栅极场板基本覆盖整个漂移区,器件开启时在漂移区表面形成一层积累层低阻通道,能够有效降低器件的导通电阻,进而降低导通损耗;在漏压不高的情况下,通过栅氧化层可承担栅漏耐压,当栅氧化层不足以承担栅漏高耐压时,可通过在栅极和漏极间引入硅局部氧化(LOCOS)隔离或浅槽隔离(STI)氧化层来提高栅漏耐压。随着功率集成电路所采用的技术节点特征尺寸减小,LOCOS结构的应力和鸟嘴问题始终得不到较好的解决,虽出现了多晶缓冲LOCOS[8]的改进技术,但在小尺寸的结构中,现已广泛采用STI隔离技术。

中压LDMOS主要是指电压范围为40~500V的LDMOS器件,其栅极到漏极间具有一定的漂移区,以承担耐压,如图1(b)所示。而中压LDMOS还可以采用准VDMOS的器件结构,如图1(c)所示的n沟道准VDMOS,通过N+埋层和从表面自上向下的N+扩散层的连接,将传统VDMOS的衬底N+区引到芯片表面,使得器件的栅、源、漏三电极都在芯片表面。

高压LDMOS一般指的是500 V以上级的器件,典型结构亦如图1(b)所示,其漂移区长度更长,以承担更高的耐压。目前的高压LDMOS,其最高耐压已达到1200 V[9-10]甚至是2000 V[11]。

LDMOS工作原理简述

(a)低压结构

LDMOS工作原理简述

(b)中压或高压结构

LDMOS工作原理简述

(c)准VDMOS结构

图1 LDMOS结构

对于高压器件,高耐压是其设计的主要目标,以满足不同高电源电压的应用需求;同时,为缩小芯片面积以降低成本,因此需要单位面积下器件具有低的比导通电阻。LDMOS器件通常采用降低表面电场(RESURF)技术,包括Single RESURF[12-16]、Double RESURF[17-19]、Triple RESURF[20-22]、Multiple RESURF[23-24]和3D RESURF[25-27]等,并结合场板技术[28-31]、横向变掺杂(VLD)技术[32-34]和超结技术[35-38]等,进一步改善器件电场分布,使得器件在最短的漂移区长度下实现所需的高耐压。

2.2 LIGBT

LIGBT器件集合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(BJT)二者的特性,既有MOSFET高输入阻抗、栅控能力强以及驱动电路简单的优点,同时又具有BJT的高电流密度、低导通压降以及大电流处理能力的优点,相比于同等电压等级的LDMOS器件,其可具有更低的比导通电阻,因此在高压大电流应用领域其可作为高压功率开关,单片集成于功率高压集成电路中,在较高电压应用下提供相比于LDMOS更好的电流能力[39-41]。

LIGBT结构最早提出于20世纪80年代中期,典型的LIGBT结构如图2(a)所示,其将LDMOS漏区n+替代为p+,从而在集电极端引入PN结,在一定条件下PN结开启,向漂移区注入空穴,形成双极载流子导电模式,显著降低器件的比导通电阻。此外,可以通过阳极短路的结构来改善器件的开关特性,降低关断损耗,典型结构如图2(b)所示。然而对于硅基的LIGBT结构,其在单片集成时,阳极p+区注入空穴到达漂移区,亦会注入衬底,导致空穴有可能通过衬底到达逻辑控制部分,致使逻辑错误。因此,虽然LIGBT器件提出较早,但据作者了解,硅基LIGBT尚无量产产品,而随着绝缘体上硅(SOI)材料的成熟,基于SOI衬底材料的LIGBT可克服传统硅基LIGBT的应用难题。SOILIGBT如图3所示,由于埋氧层的存在,其有效隔离衬底层与有源层,可完全消除硅基LIGBT中的空穴注入到衬底,且采用介质隔离的SOI技术易实现器件之间以及高、低压单元之间的完全电气隔离,促使SOILIGBT率先应用于等离子显示屏(PDP)显示驱动、小功率的智能功率模块(IPM)以及AC-DC转换IC等。

相比于功率LDMOS,LIGBT得益于电导调制效应,使其在维持高击穿电压的同时也能获得很低的导通压降Von;然而,存储在漂移区的大量载流子会使器件在关断时出现较长的拖尾电流,造成较大的关断能量损耗Eoff。同时,LIGBT中存在一个4层PNPN类型的寄生晶闸管结构,该晶闸管结构在导通电流增大到一定程度时可能导通,进而发生闩锁现象,使得器件失去栅极的控制能力,且导通电流由于正反馈而不断被放大,直至造成器件烧毁。国内外诸多学者做出了系列研究,以促进其实用化,从改善LIGBT工作性能的角度可归为3类:降低静态功耗[42-44],降低动态功耗[45-49]和提高安全工作区[50-52]。

LDMOS工作原理简述,功率mos管工作原理

(a)典型LIGBT

LDMOS工作原理简述,功率mos管工作原理

(b)阳极短路LIGBT

图2 基于体硅材料的LIGBT结构

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