IRF系列场效应管参数完整版doc资料Word格式文档下载.docx
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谢谢各位33
结型场效应功率晶体管的设计
纪秀明,宋哲浩
（常州半导体厂,江苏常州 213000
摘要:
介绍了功率JFET,给出了新的器件结构和设计方法。
关键词:
场效应晶体管;
结构;
设计方法
DesignofJFET
JIXiu2ming,SONGZhe2hao
（SemiconductorCompanyofChangzhou,Changzhou213000,China
Abstract:
ThepowerJFETisdescribedinthispaper.Thenewstructureanddesignmethodarealsogiven.
Keywords:
FET;
structure;
designmethod
1 功率JFET的结构
功率JFET采用垂直沟道的纵向结构,即在硅片的相对表面上分别设置源2栅极和漏极。
对源2栅区来说,将有更多的有效面积供沟道排列,有利于降低器件的导通电阻和增加电流容量。
对漏区来说,不仅可以方便地设置高阻漏漂移区来实现高的耐压,而且可以通过管座大大改善热性能。
另外,便于设计者在芯片边缘采用各种方式的结的终端技术,以此来提高器件的击穿电压。
在采用水平沟道的横向结构中,沟道长度由版图设计所确定,一般形成长沟道结构。
但是在纵向结构中,沟道长度相当于栅区扩散的结深,而且因横向扩散的缘故,形成的沟道是渐开式的。
即沟道较短并逐渐加宽,因此,一般形成短沟道结构。
下面简单介绍功率JFET的两种基本结构。
111 表面栅结构
图1（a是表面栅结构。
源2栅区及其电极呈条状形交叉对插。
由于在栅区之间要为源区空出一个较大的间隔,所以形成的沟道宽而短。
但是,制造工艺简单。
112 隐埋栅结构
图1（b是一种隐埋栅结构。
栅区由排列在紧靠源区下面n-区内的栅条所组成,在连接栅条端部的所谓栅墙上设置栅极。
源区大面积覆盖在栅区上方的硅片表面上。
该结构的栅条排列紧密,形成的沟道窄而短,沟道排列密度为最高。
由于栅条具有较大的栅极电阻,所以栅条的长度不宜过长。
该结构一般要用较复杂的工艺来完成:
首先准备好带有n+衬底的n-硅基片（例如外延片,然后进行氧化、硼扩散、（二次外延、磷扩散和栅极腐蚀等工艺步骤。
收稿日期:
2001-03-14
图1（c是又一种隐埋栅结构。
源区直接覆盖在栅区上面。
为了减小栅条会产生更大的栅极电阻,可将栅条伸展排列成网状,如图1（d所示。
这样
图1 功率JFET的两种基本结构
（a表面栅结构（b隐埋栅结构（c另一种隐埋栅结构（d网
状隐埋栅结构
在宽栅条处设置栅极接触,以保证形成短栅条结构。
器件的源2栅电极呈条状形交叉对插,沟道排列密度较高。
制造工艺简单,但源2栅击穿电压BVSG低,栅结的电容和栅极电阻大。
2 器件特性和结构的关系
器件的伏安特性和栅区结构（即沟道结构密切相关。
如图2（a所示,长栅宽沟道器件最易产生类五极管特性。
在未加漏极电压VDS时,栅极电压
V
GS
不足以使其势垒层穿通沟道,存在着一个未耗尽
的中性沟道。
随着VDS增加,这样的沟道会在靠漏极一端耗尽,致使漏极电流ID饱和。
相反,短栅窄沟道器件最易产生类三极管特性如图2（b。
当刚加上
时,整个沟道被势垒层穿通而耗尽,从而形成了
沟道势垒,电流流动将受到电子越过势垒而注入的限制。
当V
提高时,势垒高度增加,但当VDS加上
时,势垒可被漏的静电场降低,从而引起电子注入和产生漏极电流的流动。
图2（c所示,如果在零栅偏压下已使整个沟道充分耗尽,形成高的沟道势垒,则器件要在较高的漏极电压下才会有漏极电流。
不难看出,在中等栅长或中等沟道宽度的情况下,如果在零栅偏压下的整个沟道快要被势垒层穿通,则器件呈现出混合特性,在VGS低、ID大的情况下,为类五极管特性;
而在VGS高、ID小的情况下,为类三极管特性。
为了实现既有一个较低的导通电阻,同时又保持有一个较高的击穿电压,发现这种混合特性是最佳的。
从器件的频率特性而言,由于栅结电容的充放电电流要流经栅极电阻,所以隐埋栅结构的频率特性比不上栅极电阻很小的表面栅结构。
图1（c所示结构的频率特性为最差。
211 沟道势垒
首先,沟道势垒和沟道原材料的掺杂浓度ND
有关。
N
D
越淡,沟道越容易被势垒层穿通而耗尽,沟道势垒越高。
当N
被确定以后,沟道势垒高度5h就取决于
器件的结构参数和外加偏压。
5h随VGS
增加而增加,
而随VDS增加而减小。
5h可表示为
5h=Ε（VGS-VDSu
（1
图2 器件的伏安特性和沟道结构的关系式中
Ε=э5h
эVGS
VDS=常数
（2
是栅极电压变化引起沟道势垒变化的比例。
它是一
个和沟道结构相关的因子。
Ε随沟道宽度增加而减
小,而随栅长度增加而增加。
u=эVDS
ID=常数
=
Lg×
Lgd
4a2
（3
是电压放大系数,通常称为阻断增益。
它取决于器件的结构参数。
u随栅长Lg和高阻漏漂移区宽度Lgd增加而增加,而随沟道宽度（2a增加而减小。
u反映漏极静电场透入栅区的能力。
212 电流2电压关系
因为电流流动是电子越过降低了的沟道势垒而注入的缘故,所以象电注入那样可表示漏极电流密度为
JD=8Dn
Ln
nse-85hkT（4
式中,Dn和Ln是源极附近的沟道区中的电子扩散系数和扩散长度,ns是源区的电子浓度。
为了使器件关断,必须提高5h。
从式（1可见,提高u值才会在较高的漏极电压下阻断电流。
相反在导通状态（5h=0,提高u值有利于保持较低的栅极电压。
因此,对于高压功率JFET来说,得到较大的u值是十分重要的。
3 设计考虑
功率JFET的最大缺点是功率容量直接受到导通电阻的限制。
对高压器件来说,相比于沟道电阻,漏漂移区体电阻是主要的,可粗略认为它接近等于导通电阻。
设计中,在满足耐压的要求下,总是取最薄的漏漂移区宽度Lgd,即Lgd等于击穿时的势垒层宽度。
按突变结处理,可表示器件的导通电阻Ron和器件沟道总面积A的乘积为
RONA=
8unND
=51914×
10-9VB215（5式中,ND为漏漂移区的掺杂浓度,VB≌BVDS。
从上式可见,适当地增加器件面积是解决耐压和导通电阻之间矛盾的一种有效办法。
在实际设计中,首先给定VB和Ron的值,然后大体上确定出器件的沟道总面积。
上述矛盾的克服还可以从改进器件结构方面着手。
例如,一层结构的高阻漏漂移区改成由掺杂浓度淡的漏漂移区和掺杂浓度较淡的缓冲层构成的二层结构所代替,可使导通电阻接近降低一半。
这样经改进后的器件结构如图3所示。
缓冲层可通过在
n-硅基片上进行n+衬底扩散工艺来获得,因为n
+
衬底深扩散客观上会形成掺杂浓度较淡的n缓冲层。
加缓冲层后的势垒扩展如图4所示。
这时将主要地在n-区内扩展和建立电场,在n层内的势垒扩展不大
。
图3 改进的器件结构示意图
由于n-区呈高阻,所以会使整个n-区内的电场都能保持得很高,直到此电场达到雪崩场强时才发生击穿。
根据电场积分所得面积等于电压的关系,从图4不难看出,在相同耐压的情况下,加缓冲层后的高阻漏漂移区宽度将减小一半左右
图4 加缓冲层后的势垒扩展
设计器件时的进一步考虑是兼顾导通电阻Ron和阻断增益u之间的矛盾。
兼顾的原则是这样的:
选择好沟道宽度和栅长度,使阻断增益达到50左右,对形成的沟道电阻给予认可。
另外,沟道宽度适当大于栅结零偏置时的势垒层宽度,以便获得五极管2三极管混合特性。
这种器件能把较小的导通电阻同为达到高耐压所要求的较大的阻断增益统一在一起,使矛盾得到协调解决。
4 结 语
总之,随着微细加工技术的利用和发展,可使沟道排列密度进一步地提高,从而耐压和导通电阻之间矛盾基本上得到了完满解决。
由于功率JFET具有诸多优点,其发展前景必定是美好的。
（上接第37页
图3 28层陶瓷电路基板实物照片（生瓷
基板重量:
12g
集成密度:
66%
互连孔总数:
约5000个最小线宽线间距:
012mm
6 结束语
目前,采用新技术研制开发出的28层陶瓷基板已经成功地应用于缓变数据采集系统MCM组件,它对提升整个系统的集成密度和小型化水平起到了关键作用。
王 海 男,1989年毕业于天津大学电子工程系微电子专业。
现从事MCM应用技术的研究及微组装产品的设计与开发,主持完
成了多项新品研制。
序号
计量器具或参数名称
型号或类型
计量标准名称
测量范围
实验室测量能力
（k=2）
依据技术规范名称及代号
１
衡器
（秤）
非自行指示秤
（Ⅲ）级及以下
数字指示秤
模拟指示秤
杆秤（IIII）级
衡器（秤）
校准装置
10kg～100t
300g～100t
4kg～150kg
100g～500g
U～13kg
U～0.22kg
U～1.34）g
JJG555-1996非自动秤通用检定规程
JJG14-1997非自行指示秤检定规程
JJG539-1997数字指示秤检定规程
JJG13-1993模拟指示秤检定规程
JJG17-2000杆秤检定规程
MJJ-WI01-2020衡器校准工作补充件
２
砝码
F2级及以下
M1等及以下
砝码校准装置
1mg～500g
1～25kg
U～1.60）mg
U=（18～460）mg
JJG99-2020砝码检定规程
MJJ-WI02-2020砝码校准工作补充件
３
天平
机械天平（Ⅰ）3及以下
电子天平（Ⅰ）级及以下
架盘天平（Ⅲ）级
天平校准装置
20g～30kg
100g～5kg
U～100）mgU～850）mg
U=130mg～
JJG98-1990非自动天平试行检定规程
JJG156-2004架盘天平检定规程
MJJ-WI03-2020天平校准工作补充件
４
压力表
弹簧管式一般
级及以下）
（-0.1～60）MPa
U=0.52%（F.S）
JJG52-1999弹簧管式一般压力表、压力真空表和真空表检定规程
MJJ-WI04-2020弹簧管式一般压力表校准工作补充件
５
材料试验机
拉力、压力和万能试验机
1级及以下
电子式万能试验机1级及以下
50N～2MN
Urel=0.42%
JJG139-1999拉力、压力和万能试验机检定规程
JJG157-1995非金属拉力、压力和万能试验机检定规程
JJG475-1986电子式万能试验机检定规程
MJJ-WI05-2020材料试验机校准工作补充件
100N～5kN
Urel=0.14%
６
温度二次仪表
数字温度指示
调节仪表
温度二次仪表校准装置
（-200～1700）℃
热电偶：
U=℃
热电阻：
JJG617-1996数字温度指示调节仪检定规程
MJJ-WI06-2020温度二次仪表校准工作补充件
７
测微类量具
千分尺
公法线类千分尺
深度千分尺
≤300mm
（300～500）mm
Uμm
JJG21-1995千分尺检定规程
JJG82-1998公法线类千分尺检定规程
JJG24-2003深度千分尺检定规程
MJJ-WI07-2020测微类量具校准工作补充件
８
指示类量具
百分表
大量程百分表
内径百分表
杠杆百分表
深度百分表
千分表
内径千分表
杠杆千分表
（0～10）mm
（0～50）mm
（2～450）mm
1mm（量程）
（0～5）mm
（10～400）mm
0.2mm（量程）
百分表：
U=5μm
千分表:
Uμm
JJG34-1996指示表（百分表和千分表）检定规程
JJG379-1995大量程百分表（试行）检定规程
JJF1102-2003内径表校准规范
JJG35-1992杠杆表检定规程
JJG830-1993深度百分表试行检定规程
MJJ-WI08-2020指示类量具校准工作补充件
９
游标类量具
游标卡尺
数显卡尺
深度卡尺
带表卡尺
高度卡尺
（0～500）mm
U=0.01mm
JJG30-2002通用卡尺检定规程
JJG31-1999高度卡尺检定规程
MJJ-WI09-2020游标类量具校准工作补充件
结型场效应管
在一块N型（或P型）半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P型区（或N型区），就形成两个不对称的PN结。
把两个P区（或N区）并联在一起，引出一个电极，称为栅极（g），在N型（或P型）半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。
夹在两个PN结中间的N区（或P区）是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道）。
这种结构的管子称为N沟道（或P沟道）结型场效应管。
结型场效应管分类分为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管两种。
结型场效应管的特性
（1）转移特性栅极电压对漏极电流的控制作用称为转移特性
（2）输出特性UDS与ID的关系称为输出特性
（3）结型场效应管的放大作用结型场效应管的放大作用一般指的是电压放大作用
结型场效应管的管脚识别
将万用表拨至R×
1k档,用万用表的负极任意接一电极,另一只表笔依次去接触其余的两个极,测其电阻.若两次测得的电阻值近似相等,则负表笔所接触的为栅极,另外两电极为漏极和源极.漏极和源极互换,若两次测出的电阻都很大,则为N沟道；
若两次测得的阻值都很小,则为P沟道。
判定源极S、漏极D：
在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极.用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极。
结型场效应管（JFET）的主要参数
（1）.夹断电压VP
（2）.饱和漏极电流IDSS
（3）.直流输入电阻RGS
（4）.低频跨导gm
（5）.输出电阻rd
（6）.极间电容Cgs、Cgd、Cds
（7）.最大漏-源电压V（BR）DS
（8）.最大栅-源电压V（BR）GS
（9）.漏极最大耗散功率PDM
升级会员 