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DMOS 原理  

2008-11-22 08:59:17|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

DMOS与CMOS器件结构类似,也有源、漏、栅等电极,但是漏端击穿电压高。 DMOS主要有两种类型,垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOSFET( vertical double-diffused MOSFET)和横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET(lateral double-dif fused MOSFET)。

DMOS器件是由成百上千的单一结构的DMOS 单元所组成的。这些单元的数目是根据一个芯片所需要的驱动能力所决定的,DMOS的性能直接决定了芯片的驱动能力和芯片面积。对于一个由多个基本单元结构组成的LDMOS器件,其中一个最主要的考察参数是导通电阻,用R ds(on)表示。导通电阻是指在器件工作时,从漏到源的电阻。对于 LDMOS器件应尽可能减小导通电阻,就是BCD工艺流程所追求的目标。当导通电阻很小时,器件就会提供一个很好的开关特性,因为漏源之间小的导通电阻,会有较大的输出电流,从而可以具有更强的驱动能力。DMOS的主要技术指标有:导通电阻、阈值电压、击穿电压等。

在功率应用中,由于DMOS技术采用垂直器件结构(如垂直NPN双极晶体管),因此具有很多优点,包括高电流驱动能力、低Rds导通电阻和高击穿电压等。

LDMOS由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。LDMOS器件结构如图1所示,LDMOS是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是在相同的源/漏区域注入两次,一次注入浓度较大(典型注入剂量 1015cm-2)的砷(As),另一次注入浓度较小(典型剂量1013cm-2)的硼(B)。注入之后再进行一个高温推进过程,由于硼扩散比砷快,所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远(图中P阱),形成一个有浓度梯度的沟道,它的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。为了增加击穿电压,在有源区和漏区之间有一个漂移区。LDMOS中的漂移区是该类器件设计的关键,漂移区的杂质浓度比较低,因此,当LDMOS 接高压时,漂移区由于是高阻,能够承受更高的电压。图1所示LDMOS的多晶扩展到漂移区的场氧上面,充当场极板,会弱化漂移区的表面电场,有利于提高击穿电压。场极板的作用大小与场极板的长度密切相关。要使场极板能充分发挥作用,一要设计好SiO2层的厚度,二要设计好场极板的长度。



LDMOS制造工艺结合了BPT和砷化镓工艺。与标准MOS工艺不同的是,在器件封装上,LDMOS没有采用BeO氧化铍隔离层,而是直接硬接在衬底上,导热性能得到改善,提高了器件的耐高温性,大大延长了器件寿命。由于LDMOS管的负温效应,其漏电流在受热时自动均流,而不会象双极型管的正温度效应在收集极电流局部形成热点,从而管子不易损坏。所以LDMOS管大大加强了负载失配和过激励的承受能力。同样由于LDMOS管的自动均流作用,其输入-输出特性曲线在1dB 压缩点(大信号运用的饱和区段)下弯较缓,所以动态范围变宽,有利于模拟和数字电视射频信号放大。LDMOS在小信号放大时近似线性,几乎没有交调失真,很大程度简化了校正电路。MOS器件的直流栅极电流几乎为零,偏置电路简单,无需复杂的带正温度补偿的有源低阻抗偏置电路。

对LDMOS而言,外延层的厚度、掺杂浓度、漂移区的长度是其最重要的特性参数。我们可以通过增加漂移区的长度以提高击穿电压,但是这会增加芯片面积和导通电阻。高压DMOS器件耐压和导通电阻取决于外延层的浓度、厚度及漂移区长度的折中选择。因为耐压和导通阻抗对于外延层的浓度和厚度的要求是矛盾的。高的击穿电压要求厚的轻掺杂外延层和长的漂移区,而低的导通电阻则要求薄的重掺杂外延层和短的漂移区,因此必须选择最佳外延参数和漂移区长度,以便在满足一定的源漏击穿电压的前提下,得到最小的导通电阻。

LDMOS在以下方面具有出众的性能:

1.热稳定性;2.频率稳定性;3.更高的增益;4.提高的耐久性;5.更低的噪音;6.更低的反馈电容;7.更简单的偏流电路;8.恒定的输入阻抗;9.更好的IMD性能;10.更低的热阻;11.更佳的AGC能力。LDMOS器件特别适用于CDMA、W-CDMA、TETRA、数字地面电视等需要宽频率范围、高线性度和使用寿命要求高的应用。
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