LDMOS和VDMOS

　　DMOS與CMOS器件結(jié)構(gòu)類似，也有源、漏、柵等電極，但是漏端擊穿電壓高。DMOS主要有兩種類型，垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管VDMOSFET(vertical double-diffused MOSFET)和橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管LDMOSFET(lateral double-dif fused MOSFET)。

　　LDMOS

　　LDMOS (橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)

　　結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖

　　在高壓功率集成電路中常采用高壓LDMOS滿足耐高壓、實(shí)現(xiàn)功率控制等方面的要求，常用于射頻功率電路。

　　與晶體管相比，在關(guān)鍵的器件特性方面，如增益、線性度、開(kāi)關(guān)性能、散熱性能以及減少級(jí)數(shù)等方面優(yōu)勢(shì)很明顯。

　　LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。LDMOS是一種雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的功率器件。這項(xiàng)技術(shù)是 在相同的源/漏區(qū)域注入兩次，一次注入濃度較大(典型注入劑量 1015cm-2)的砷(As)，另一次注入濃度較小(典型劑量1013cm-2)的硼(B)。注入之后再進(jìn)行一個(gè)高溫推進(jìn)過(guò)程，由于硼擴(kuò)散比砷快，所以 在柵極邊界下會(huì)沿著橫向擴(kuò)散更遠(yuǎn)(圖中P阱)，形成一個(gè)有濃度梯度的溝道，它的溝道長(zhǎng)度由這兩次橫向擴(kuò)散的距離之差決定。為了增加擊穿電壓，在有源區(qū)和漏 區(qū)之間有一個(gè)漂移區(qū)。LDMOS中的漂移區(qū)是該類器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度比較低，因此，當(dāng)LDMOS 接高壓時(shí)，漂移區(qū)由于是高阻，能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴(kuò)展到漂移區(qū)的場(chǎng)氧上面，充當(dāng)場(chǎng)極板，會(huì)弱化漂移區(qū)的表面電場(chǎng)，有利于提高擊 穿電壓。場(chǎng)極板的作用大小與場(chǎng)極板的長(zhǎng)度密切相關(guān)。要使場(chǎng)極板能充分發(fā)揮作用，一要設(shè)計(jì)好SiO2層的厚度，二要設(shè)計(jì)好場(chǎng)極板的長(zhǎng)度。

　　LDMOS制造工藝結(jié)合了BPT和砷化鎵工藝。與標(biāo)準(zhǔn)MOS工藝不同的是，在器件封裝上，LDMOS沒(méi)有采用BeO氧化鈹隔離層，而是直接 硬接在襯底上，導(dǎo)熱性能得到改善，提高了器件的耐高溫性，大大延長(zhǎng)了器件壽命。由于LDMOS管的負(fù)溫效應(yīng)，其漏電流在受熱時(shí)自動(dòng)均流，而不會(huì)象雙極型管 的正溫度效應(yīng)在收集極電流局部形成熱點(diǎn)，從而管子不易損壞。所以LDMOS管大大加強(qiáng)了負(fù)載失配和過(guò)激勵(lì)的承受能力。同樣由于LDMOS管的自動(dòng)均流作 用，其輸入-輸出特性曲線在1dB 壓縮點(diǎn)(大信號(hào)運(yùn)用的飽和區(qū)段)下彎較緩，所以動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號(hào)放大。LDMOS在小信號(hào)放大時(shí)近似線性，幾乎沒(méi)有交調(diào)失真， 很大程度簡(jiǎn)化了校正電路。MOS器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?/p>

　　對(duì)LDMOS而言，外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區(qū)的長(zhǎng)度是其最重要的特性參數(shù)。我們可以通過(guò)增加漂移區(qū)的長(zhǎng)度以提高擊穿電壓，但是這會(huì)增加芯片面積和導(dǎo)通電阻。高壓DMOS器 件耐壓和導(dǎo)通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區(qū)長(zhǎng)度的折中選擇。因?yàn)槟蛪汉蛯?dǎo)通阻抗對(duì)于外延層的濃度和厚度的要求是矛盾的。高的擊穿電壓要求厚的輕摻 雜外延層和長(zhǎng)的漂移區(qū)，而低的導(dǎo)通電阻則要求薄的重?fù)诫s外延層和短的漂移區(qū)，因此必須選擇最佳外延參數(shù)和漂移區(qū)長(zhǎng)度，以便在滿足一定的源漏擊穿電壓的前提 下，得到最小的導(dǎo)通電阻。

　　LDMOS在以下方面具有出眾的性能：

　　1.熱穩(wěn)定性;2.頻率穩(wěn)定性;3.更高的增益;4.提高的耐久性;5.更低的噪音;6.更低的反饋電容;7.更簡(jiǎn)單的偏流電路;8.恒定 的輸入阻抗;9.更好的IMD性能;10.更低的熱阻;11.更佳的AGC能力。LDMOS器件特別適用于CDMA、W-CDMA、TETRA、數(shù)字地面 電視等需要寬頻率范圍、高線性度和使用壽命要求高的應(yīng)用。

　　卓越的效率，可降低功率消耗與冷卻成本

　　卓越的線性度，可將信號(hào)預(yù)校正需求降到最低優(yōu)化超低熱阻抗，可縮減放大器尺寸與冷卻需求并改善可靠度

??????? 卓越的尖峰功率能力，可帶來(lái)最少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率的高 3G 數(shù)據(jù)率高功率密度，使用較少的晶體管封裝超低感抗、回授電容與串流閘阻抗，目前可讓 LDMOS 晶體管在雙載子器件上提供 7 bB 的增益改善直接源極接地，提升功率增益并免除 BeO 或 AIN 隔離物質(zhì)的需求在 GHz 頻率下?lián)碛懈吖β试鲆妫瑤?lái)更少設(shè)計(jì)步驟、更簡(jiǎn)易更具成本效益的設(shè)計(jì) (采用低成本、低功率驅(qū)動(dòng)晶體管)

　　運(yùn)作面

　　絕佳的穩(wěn)定性，由于負(fù)汲極電流溫度常數(shù)，所以不受熱散失的影響比雙載子更能忍受較高的負(fù)載未匹配現(xiàn)象 (VSWR)，提高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的可靠度卓越的射頻穩(wěn)定度，在閘極與汲極間內(nèi)置隔離層，可以降低回授電容在平均無(wú)故障時(shí)間 (MTTF) 上有相當(dāng)好的可靠度

　　1.LDMOS,即橫向雙擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體, 一般N-LDMOS比較常見(jiàn),是通過(guò)源的N+和下面的P-共同擴(kuò)散來(lái)形成溝道的,由于溝道與正常的MOS管沒(méi)什么區(qū)別,所以開(kāi)啟電壓可以做到與普通MOS差不多, 另外,LDMOS一般用于高壓功率電路,通過(guò)漂移區(qū)低的攙雜濃度來(lái)承受漏端高的電壓;

　　2. LDMOS為什么可以承受高壓: 因?yàn)槠茀^(qū)低攙雜的存在,LDMOS大部分電壓都會(huì)降落在此區(qū)域,從而保證溝道處電壓較低,那么如何實(shí)現(xiàn)LDMOS的高壓呢?最早提出的RESUF原理成功的實(shí)現(xiàn)了LDMOS的高壓應(yīng)用,即優(yōu)化外延N-層濃度與襯底濃度,使二者接近,可以達(dá)到高壓,但這個(gè)條件僅是必要條件,要實(shí)現(xiàn)高壓,P-和外延N-界面的擊穿也是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),同時(shí)表面溝道盡頭,場(chǎng)氧邊緣都是電場(chǎng)集中的位置,為了使擊穿發(fā)生在漏下邊的N-與襯底結(jié),RESUF原理要求在P-與N-外延層電場(chǎng)達(dá)到臨界值之前,整個(gè)漂移區(qū)全部耗盡,這樣就可以使表面電場(chǎng)強(qiáng)度得到最大程度的降低,從而實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用,如700V-1200V, 當(dāng)然,一個(gè)很重要的問(wèn)題是, Rdson與漂移區(qū)攙雜濃度相反,為實(shí)現(xiàn)高壓,一般漂移區(qū)濃度都比較低,這就極大的增加了Rdson, 為了降低開(kāi)態(tài)電阻, 在漂移區(qū)表面增加P環(huán)的結(jié)構(gòu)被發(fā)明出來(lái),通過(guò)表面P-TOP,不但可以降低表面電場(chǎng),還可以在保持擊穿電壓不變的情況下,增加漂移區(qū)約50%的攙雜,從而很大程度地降低了開(kāi)態(tài)電阻,當(dāng)然,具體濃度,尺寸,位置是存在優(yōu)值的，需要模擬與實(shí)際流片相結(jié)合來(lái)獲得最佳條件, 另外, P型中間層等其他降低開(kāi)態(tài)電阻的結(jié)構(gòu)也早有人提出,因?yàn)闀?huì)增加工藝的復(fù)雜度和模擬的準(zhǔn)確度,實(shí)際應(yīng)用的不多;

　　除了有P-TOP的雙RESURF原理以外,場(chǎng)板結(jié)構(gòu), 雙層浮空?qǐng)霭褰Y(jié)構(gòu)都用于降低表面電場(chǎng),提高擊穿電壓.

　　VDMOS

　　垂直雙擴(kuò)散金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管VDMOS兼有雙極晶體管和普通MOS器件的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是開(kāi)關(guān)應(yīng)用還是線形應(yīng)用，VDMOS都是理想的功率器件，VDMOS主要應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速、逆變器、不間斷電源、電子開(kāi)關(guān)、高保真音響、汽車電器和電子鎮(zhèn)流器等。

　　特征:

　　接近無(wú)限大的靜態(tài)輸入阻抗特性，非?？斓拈_(kāi)關(guān)時(shí)間，導(dǎo)通電阻正溫度系數(shù)，近似常數(shù)的跨導(dǎo)， 高dV/dt。

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　　80年代以來(lái)，迅猛發(fā)展的超大規(guī)模集成電路技術(shù)給高壓大電流半導(dǎo)體注入了新的活力，一批新型的聲控功放器件誕生了，其中最有代表性的產(chǎn)品就是VDMOS聲效應(yīng)功率晶體管。

　　這種電流垂直流動(dòng)的雙擴(kuò)散MOS器件是電壓控制型器件。在合適的柵極電壓的控制下，半導(dǎo)體表面反型，形成導(dǎo)電溝道，于是漏極和源極之間流過(guò)適量的電流

　　VDMOS兼有雙極晶體管和普通MOS器件的優(yōu)點(diǎn)。與雙極晶體管相比，它的開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)損耗小;輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小;頻率特性好;跨導(dǎo)高度線性。特別值得指明出的是，它具有負(fù)的溫度系數(shù)，沒(méi)有雙極功率的二次穿問(wèn)題，安全工作區(qū)大。因此，不論是開(kāi)關(guān)應(yīng)用還是線性應(yīng)用，VDMOS都是理想的功率器件。

　　現(xiàn)在，VDMOS器件已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括電機(jī)調(diào)速、逆變器、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源、電子開(kāi)關(guān)、高保真音響、汽車電器和電子鎮(zhèn)流器等。由于VDMOS的性能價(jià)格比已優(yōu)于雙極功率器件，它在功率器件市聲中的份額已達(dá)42%。并將繼續(xù)上升。