一種減少VDMOS寄生電容的新結構

0 引 言
VDMOS與雙極電晶體相比，它的開關速度快，開關損耗小，輸入電阻高，驅動電流小，頻率特性好，跨導高度線性等優點。特別值得指出的是，它具有負溫度係數，沒有雙極功率管的二次擊穿問題，安全工作區大。因此，不論是開關應用還是線性應用，VDMOS都是理想的功率器件。VDMOS的開關速度是在高頻應用時的一個重要的參數，因此提出一種減小寄生電容的新型VDMOS結構。

1 基本原理
功率VDMOS的開關特性是由其本徵電容和寄生電容來決定的。VDMOS的電容主要由三個部分柵源電容Cgs柵漏電容Cgd以及源漏電容Cds組成，如圖1所示。電容的充放電是限制其開關速度的主要因素。柵源之間的電容是由三個部分組成，即：
Cgs=Cgs(N+)+Cgs(P)+Cgs(M)
Cgs(N+)是柵源交疊電容；Cgs(M)是柵與源金屬間的電容；Cgs(P)是柵與P-base之間的電容。這三個電容的大小都是由VDMOS本身設計上的參數決定的，最主要取決於介質層的厚度。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/188499.htm

柵漏之間的電容Cgd是兩個電容的串聯：

當柵壓未達到閾值電壓時，漂移區與P-base形成的耗盡層結合在一起，形成面積很大的耗盡層電容，柵下漂移區空間電荷耗盡區電容Cgd(dep)只是其中一部分，此時耗盡層寬度最大，耗盡電容最小。當柵壓達到閾值電壓後，器件開啟時，漏區電勢降低，耗盡層寬度減小，Cgd(dep)迅速增大。
漏源之間的電容Cds是一個PN結電容，它的大小是由器件在源漏之間所加的電壓VDS所決定的。
一般VDMOS都包含了Cgs,Cgd和Cds，但是功率VDMOS都不是採用這三個電容作參考，而是採用Ciss，Coss和Crss作為評估VDMOS器件的電容性能，Ciss，Coss和Crss參數分別定義為：輸入電容：Ciss=Cgs+Cgd輸出電容：Coss=Cds+Cgd；反饋電容：Crss=Cgd。實際中採用Ciss，Coss和Crss作為衡量VDMOS器件頻率特性的參數，它們並不是定值，而是隨著其外部施加給器件本身的電壓變化的。
VDMOS的開啟延遲時間td(on)、上升時間tr、關斷延遲時間td(off)、下降時間tf的關係式可分別表達為：

式中：Rg為開關測試電路中器件外接柵電阻；Vth為閾值電壓；Vgs是外加柵源電壓；vgs是使器件漏源電壓下降到外加值10％時的柵源電壓；Ciss*是器件的輸入電容；在td(on)和td(off)式中：Ciss*=Cgs+Cgd；在tr和tf式中：Ciss*=Cgs+(1+k)Cgd(考慮密勒效應)。由上述關係式可見，Cgd直接影響器件的輸入電容和開關時間，Cgd通過密勒效應使輸入電容增大，從而使器件上升時間tr和下降tf時間變大，因此減小柵漏電容Cgd尤為重要。

2 新結構的提出
根據上面對VDMOS電容的分析，提出一種新的結構以減少器件的寄生電容。由分析可得出，柵下耗盡層的形狀對VDMOS電容有較大影響，最主要影響Cgd。
圖2中給出了新的VDMOS單元A，在VDMOSneck區域斷開多晶矽條，同時在斷開處注入一定的P型區，改變VDMOS柵下耗盡區的形狀。這種新結構，在一定程度上加大耗盡區的寬度，從而減小Cgd。如圖2結構中Pody下P-區注入區域為neck區中間3μm，注入能量是40 keV，注入劑量是1e13―3 cm，傳統結構多晶矽柵完全覆蓋P-body島間漂移區，正是由多晶矽柵和漂移區的交疊形成的柵漏電容在充電時需大量電荷，導致器件開關損耗很大，新結構將多晶柵和漂移區的交疊部分移除，可以大大降低柵電荷，提高器件的動態性能。