功率MOS场效应晶体管设计过程

冬至子 2023-07-05 635

模拟技术

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描述

功率MOS场效应晶体管电参数指标中规定的电参数一般分为三大类：直流参数、交流参数和极限参数。直流参数包括：漏源击穿电压BVDSS，静态漏源导通电阻RDS(on)，栅阈值电压VGS(th)，正向跨导gfs等;交流参数包括：输入电容Ciss、输出电容Coss，反向传递电容Crss，开关时间ton、ts、tf等；极限参数包括：连续电流ID和脉冲漏电流IDM，最大耗散功率PD，栅源电压VGS，单脉冲雪崩耐量EAS等。

功率MOS场效应晶体管的设计任务就是根据用户使用要求，确定主要电学参数指标，设计出满足参数指标要求的纵向参数、横向参数和热学参数。

功率MOS场效应晶体管在实际设计过程中，主要从以下几个方面进行设计：功率MOS场效应晶体管的结构设计、功率MOS场效应晶体管的主要电参数设计、功率MOS场效应晶体管的工艺设计以及功率MOS场效应晶体管的零部件设计。

由产品电参数指标可知，该产品具有漏源击穿电压（BVDSS）、导通电阻低、电流容量高、耗散功率大、抗静电击穿能力强等特点。产品具有电压控制、快开关速度、易并联以及电参数温度稳定性高。非常适合应用于开关电源、马达驱动、逆变器、斩波器、音频放大器以及高能量脉冲电路。

表1 产品电参数指标（25℃）

场效应晶体管

栅氧化层厚度和P型体区结构参数:

P型体区掺杂浓度与栅氧化层厚度tox共同受到阈值电压指标的约束。同时，P型体区掺杂浓度Na和扩散结深也受到器件的沟道穿通电压限制,应先从满足漏源击穿的角度确定出Na的值.

阈值电压可近似表示为：

场效应晶体管

其中,QOX为等效地栅氧化层正电荷面密度，具体值由栅氧化工艺条件决定,在设计过程中取QOX=8×10-8C；Nd是多晶硅栅掺杂浓度,在设计过程中取8×1018cm。

栅氧化层厚度越薄，在工艺实施过程中其重复性和均匀性越难保证，而且栅氧化层越厚，栅源、栅漏电容小，器件的频率特性越好，因此，从上述两点考虑栅氧化层厚度不宜过薄。但栅氧化层太厚会增大器件的导通电阻，因此在频率特性与导通电阻两者之间存在着相互制约的矛盾。

在设计过程中，取器件的栅氧化层的厚度为50nm，我们取Na为3×1017cm-3。经计算,栅氧化层电容COX为6.9×10-8F；P型体区衬底费米势为0.45V；P型体区表面强反型型最大耗尽层电荷为29.91×10-8C；N型多晶硅与P型体区间功函数差φSS为-0.98V。将上述值代入阈值电压公式（3）得到阈值电压Vth=2.95V

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