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一种削减VDMOS寄生电容的新结构

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  0 引 言    VDMOS与双极晶体管相比,它的开关速度快,开关损耗小,输入电阻高,驱动电流小,频率特性好,跨

一种削减VDMOS寄生电容的新结构

  0 引 言
    VDMOS与双极晶体管比较,它的开关速度快,开关损耗小,输入电阻高,驱动电流小,频率特性好,跨导高度线性等长处。特别值得指出的是,它具有负温度系数,没有双极功率管的二次击穿问题,安全作业区大。因而,不论是开关运用仍是线性运用,VDMOS都是抱负的功率器材。VDMOS的开关速度是在高频运用时的一个重要的参数,因而提出一种减小寄生电容的新式VDMOS结构。

    1 基本原理
    功率VDMOS的开关特性是由其本征电容和寄生电容来决议的。VDMOS的电容主要由三个部分栅源电容Cgs栅漏电容Cgd以及源漏电容Cds组成,如图1所示。电容的充放电是约束其开关速度的主要因素。栅源之间的电容是由三个部分组成,即:
Cgs=Cgs(N+)+Cgs(P)+Cgs(M)
Cgs(N+)是栅源交叠电容;Cgs(M)是栅与源金属间的电容;Cgs(P)是栅与P-base之间的电容。这三个电容的巨细都是由VDMOS自身规划上的参数决议的,最主要取决于介质层的厚度。



    栅漏之间的电容Cgd是两个电容的串联:

    当栅压未到达阈值电压时,漂移区与P-base构成的耗尽层结合在一起,构成面积很大的耗尽层电容,栅下漂移区空间电荷耗尽区电容Cgd(dep)仅仅其间一部分,此刻耗尽层宽度最大,耗尽电容最小。当栅压到达阈值电压后,器材敞开时,漏区电势下降,耗尽层宽度减小,Cgd(dep)敏捷增大。
    漏源之间的电容Cds是一个PN结电容,它的巨细是由器材在源漏之间所加的电压VDS所决议的。
一般VDMOS都包括了Cgs,Cgd和Cds,可是功率VDMOS都不是选用这三个电容作参阅,而是选用Ciss,Coss和Crss作为评价VDMOS器材的电容功能,Ciss,Coss和Crss参数别离界说为:输入电容:Ciss=Cgs+Cgd输出电容:Coss=Cds+Cgd;反应电容:Crss=Cgd。实践中选用Ciss,Coss和Crss作为衡量VDMOS器材频率特性的参数,它们并不是定值,而是跟着其外部施加给器材自身的电压改动的。
    VDMOS的敞开延迟时刻td(on)、上升时刻tr、关断延迟时刻td(off)、下降时刻tf的关系式可别离表达为:



    式中:Rg为开关测验电路中器材外接栅电阻;Vth为阈值电压;Vgs是外加栅源电压;vgs是使器材漏源电压下降到外加值10%时的栅源电压;Ciss*是器材的输入电容;在td(on)和td(off)式中:Ciss*=Cgs+Cgd;在tr和tf式中:Ciss*=Cgs+(1+k)Cgd(考虑密勒效应)。由上述关系式可见,Cgd直接影响器材的输入电容和开关时刻,Cgd经过密勒效应使输入电容增大,然后使器材上升时刻tr和下降tf时刻变大,因而减小栅漏电容Cgd尤为重要。


    2 新结构的提出
    依据上面临VDMOS电容的剖析,提出一种新的结构以削减器材的寄生电容。由剖析可得出,栅下耗尽层的形状对VDMOS电容有较大影响,最主要影响Cgd。
图2中给出了新的VDMOS单元A,在VDMOSneck区域断开多晶硅条,一起在断开处注入必定的P型区,改动VDMOS栅下耗尽区的形状。这种新结构,在必定程度上加大耗尽区的宽度,然后减小Cgd。如图2结构中Pody下P-区注入区域为neck区中心3μm,注入能量是40 keV,注入剂量是1e13—3 cm,传统结构多晶硅栅彻底掩盖P-body岛间漂移区,正是由多晶硅栅和漂移区的交叠构成的栅漏电容在充电时需许多电荷,导致器材开关损耗很大,新结构将多晶栅和漂移区的交叠部分移除,能够大大下降栅电荷,进步器材的动态功能。



    3 新结构的模仿成果
    图3给出了新式结构A的寄生电容模仿成果,从模仿成果来看,新式结构A增大了栅下耗尽区宽度,改动了栅下耗尽区的形状,减小了栅漏电容Cgd对输入电容、输出电容没有较大影响,在必定程度上减小了反应电容。
    栅电荷是比输入电容更有用的参数,从电路规划的视点,由Qg=Igt可得到使器材在抱负敞开时刻内所需的栅电流值。栅电荷Qg是功率MOSFET两个最重要的参数之一(另一参数为Ron)。运用非零的Vds供给Qg-Vgs曲线已经成为一种工业规范。在曲线里包括五种信息:共源输入电容Ciss;共源反向传输电容Crss;使器材敞开有必要加在栅上的电荷量;得到器材抱负开关速度所需的栅电荷;器材在开关期间所损耗的能量。
    电源电路规划工程师运用这些信息规划驱动电路,并估汁器材功能。选用TCAD(ISE)对新式结构A进行了模仿,模仿成果如图4所示。



    能够显着看出新式结构A的栅电荷显着比一般结构的栅电荷小许多,Qg界说为Vgs=12 V时栅上所存贮的电荷,新式结构A和一般VDMOS结构栅电荷别离为20.25 nC和30.57 nC,减小了33.67%。


    4 结 语
    本文提出一种减小VDMOS寄生电容,进步其动态特性的新结构。并用TCAD(ISE)软件对其模仿。从模仿剖析成果可看出,新式结构A与传统VDMOS比较,能有用减小反应电容及栅电荷,进步VDMOS器材的开关速度,进步器材的动态功能。

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