低温下功率MOSFET的特性分析

摘要：文章完成了对功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)阈值电压和通态阻抗在77K- 300K 范围内的实验测试，并结合上述两个参数宽温区的数学模型进行了相应的分析，从实验结果中，我们发现阀值电压随温度的降低略有升高；而通态阻抗随温度的降低则下降得非常明显。通态阻抗是影响功率MOSFET开关损耗的重要参数，所以在低温下功率MOSFET 的开关损耗将大幅度下降。

关键词：功率MOSFET；低温；阈值电压；通态阻抗

引　言

电力电子器件和装置在低温下的研究主要得益于太空探索技术和超导体技术两个领域的发展，这些器件处于低温环境下工作时表现出很多优越的特性，使得许多常温下难以解决的难题在低温下都迎刃而解，所以低温下功率器件的研究在国际上一直得到广泛的重视。功率MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，但是在常温下，功率MOSFET电流容量小，耐压低，开关损耗严重，一般只适用于不超过10千瓦的电力电子装置。本文研究了功率MOSFET两个重要参数通态阻抗和阈值电压的温度效应，完成了对上述两个参数在77K-300K范围内的实验测试，并结合其宽温区的数学模型进行了相应的分析，实验对象均为国际整流器(IR)公司的功率MOSFET。

阈值电压宽温区的数学模型及实验结果

在N 沟道MOSFET中，阈值电压被定义为沟道发生强反型时所加的电压，是功率MOSFET一个重要的设计参数。它确定了在沟道中感应形成N型导电层所需要加的最小栅压。为了使器件获得适当的工作性能，阈值电压不能太大或太小。如果阈值电压太大，开启功率MOSFET所需要加的栅偏压就很大，这使得栅的驱动电路设计成为一个很麻烦的问题。而若阈值电压太小，则器件在处于关态时，可能会发生由于栅端的噪音信号或在高速开关过程中引起栅压升高等因数，使器件发生误操作。对不同电压等级的N 沟道MOSFET，我们对其在不同温度下表现出来的阈值电压进行了测试，得出的结果是功率MOSFET的阈值电压随温度的降低而有所升高，这主要是因为从300K到77K范围内，本征载流子浓度下降了30多个数量级，低的本征载流子浓度提高了P型基区的禁带变窄效应，这种效应的出现就需要更高的栅极电压来形成反型层，同时由于较大正交电场的存在，P型耗尽区的杂质原子完全电离，使得低温下功率MOSFET阈值电压数学模型的建立完全可以忽略低温下的冻析效应。下面给出的是N 沟道功率MOSFET阈值电压宽温区的数学模型：



其中_si是硅的介电常数，_ox是栅氧化层的介电常数，tox为栅氧化层的厚度，N_A是P 型基区的掺杂浓度，Q_ox是栅氧化层的陷阱电荷，C_ox是单位面积栅氧化膜电容，K为玻尔兹曼常数，q为基本电荷电量，T是温度。根据前面的介绍，阈值电压基本上不受冻析效应的影响，所以上面式(1)中阈值电压表达式中用的就是总的受主掺杂浓度N_A，而不是使用受冻析效应影响的载流子浓度表达式。从上面的表达式可以看出阈值电压表达式中跟温度相关的参数还有本征载流子浓度n_i，以及硅材料的禁带宽度E_G，下面给出的是上述两个参数随温度变化的数学模型：



对应于功率MOSFET 阈值电压宽温区的数学模型，我们同时对IR 公司的IRF630( 200V，9A) ，IRF840( 500V，8A) ，IRFPF50( 900V，6.7A) 三个电压等级的功率MOSFET在77K- 300K范围内的阈值电压进行了测试，图1 中给出的是在搭建的实验平台下得出的测试结果，从图形中我们可以看出温度下降，功率MOSFET的阈值电压升高，变化率为负，并且变化值都不是很大，在一伏左右，所以不会对我们在设计驱动电路时带来什么麻烦，相反，对于阈值电压比较低的功率MOSFET反而有利于防止误导通现象的出现。



通态阻抗宽温区的数学模型及实验结果

功率MOSFET的通态阻抗指的是导通状态下漏端和源端总的电阻，通态阻抗是功率MOSFET的重要参数，因为它确定了导通时开关管的损耗。根据测试结果，功率MOSFET的通态阻抗随着温度的降低下降得特别明显，普遍降低到只有常温下的八分之一左右。图2是垂直结构功率MOSFET内部电阻示意图。

从图2 中我们可以看出，垂直结构功率MOSFET的通态阻抗由多个电阻分量共同确定：


其中R_N+是源N+扩散区的电阻，R_CH是沟道电阻，R_A是积累层电阻，R_J是位于P型基区之间的漂移区电阻，R_D是漂移区的电阻，R_S是衬底电阻。R_N+和R_S由于在总的通态阻抗中所占的比例很小，所以都可以被忽略。下面给出的是其他四个电阻宽温区的数学模型：


沟道电阻

其中，x_p是P基区扩散深度，x_n是N+源区的扩散深度，L_G是多晶硅栅长，2m是单元扩散窗口( 如图2 中所示) ，_ns是反型层迁移率，C_ox是单位面积栅氧化膜电容，(VG- VT )是有效栅极偏压，我们可以看出式(9)中提出的沟道电阻模型中跟温度有关的参数就是反型层迁移率和栅极电压，而根据前面的分析结果，阈值电压随温度变化不是很明显，所以R_CH在宽温区内的值主要由反型层迁移率_ns的大小来决定，式(10)是_ns随温度变化的数学模型。

积累层电阻

其中_nA是积累层的迁移率，F是引入的系数，实验发现当F=1.2时，公式和实验结果吻合得很好，可以看出积累层电阻在宽温区内内的值主要由积累层迁移率_nA的大小决定，上面式(12)给出的是积累层的迁移率!nA随温度变化的数学模型。

P型基区之间的漂移区电阻

其中n是漂移区的自由电子密度，q为基本电荷电量，W₀是零偏置时耗尽层宽度，nB是体迁移率。从式(13)我们可以看出P型基区之间的漂移区电阻主要由自由电子密度n 和体迁移率_nB来决定，下面是这两个参数随温度变化的数学模型：


其中N_D是漂移区掺杂浓度，E_*D是独立的有效施主杂质能级，N_c为表面有效态密度，其中N_c随温度变化的数学模型如下：


漂移区电阻

其中h是漂移区厚度，其大小跟器件的耐压值有很直接的关系，可以看出漂移区电阻和P型基区之间的漂移区电阻二者在宽温区内值的大小都主要由自由电子密度n和基区的迁移率_nB决定。上面分析了功率MOSFET通态阻抗四个主要分量在宽温区的数学模型，各分量对通态阻抗的贡献依赖于器件的设计参数。当栅长L_G较小时，由于电流流进沟道的宽度较小，JFET区和漂移区的电阻将较大。同时，由于电流沿表面流动的路径缩短，积累层电阻将变小，由于器件单元间距的减小等效于沟道密度的增加，因此沟道电阻也将变小。而当栅长增加时，以上的各电阻分量按相反的趋势变化。对应于以上功率MOSFET通态阻抗宽温区的数学模型，我们对IRF630 ( 200V，9A)，IRF840( 500V，8A) ，IRFPF50 ( 900V，6.7A)三个电压等级的功率MOSFET在77K-300K范围内的通态阻抗进行了测试，图3 给出的是在搭建的实验平台下得出的测试结果。从图形中我们可以看出不同电压等级的功率MOSFET的通态阻抗随温度的降低下降的非常快，尤其电压等级最高的IRFPF50，在77K时下降到只有常温下的八分之一左右，因为通态阻抗是衡量MOSFET 开关损耗的一个重要参数，所以在低温下，功率MOSFET 的开关损耗将会明显减小。

结束语

本文给出了功率MOSFET 在77K-300K 范围内的阈值电压和通态阻抗宽温区的数学模型，并结合实验数据进行了相应的分析，从实验结果中我们可以看出反映功率MOSFET 直流特性的两个重要参数阈值电压和通态阻抗随着温度的下降都有不同程度的变化，阈值电压的大小随着温度的下降有所升高，但升高非常有限，不会给我们在使用上带来不便；而通态阻抗则随着温度的下降降低得非常明显，使得功率MOSFET 的开关损耗在低温下可以大幅度下降。这主要是由于在低温环境下，半导体晶格振动减弱，载流子碰撞的平均自由程加长，受晶格散射的几率减小，所以载流子迁移率得到很大程度的提高，从300K 到77K 的变化过程中，电子和空穴迁移率提高了不止一个数量级，对于MOSFET这样的多子器件，由于载流子迁移率的提高，所以具有更低的通带阻抗可通带损耗。而在现代大功率高频电路中，开关管的损耗是影响系统效率的最直接的因素，所以下一步的工作将是研究功率MOSFET工作与地位下的动态特性，同时将展开对其它无源器件在低温下的研究，最终希望能研制稳定工作于低温（77K）下的高频高效功率转换电路。