對於理想開關的需求
功率 MOSFET 可做爲高頻率脈衝寬度調變 (PWM) 應用中的電氣開關，例如穩壓器及/或控制電源應用之中負載電流的開關。做爲負載開關使用時，由於切換時間通常較長，因此裝置的成本、尺寸及導通電阻 (on-resistance) 是設計時考慮的重點。用於 PWM 應用時，電晶體必須在切換期間達到最低的功率損耗，對於促使 MOSFET 設計愈形嚴苛且時間成本更高的小型內部電容而言，這已成爲另一項必要的需求。設計人員需要特別注意閘極對汲極 (Cgd) 電容，因爲這類電容決定了切換期間的電壓暫態時間，這是影響切換功率損耗最重要的參數。
用於同步降壓轉換器—電腦應用中最常用的轉換器拓墣—的「理想」開關，必須具備下列需求：
· 低傳導損耗 (低 Rds,on)
· 低切換損耗 (低 Cgd)
· 低驅動器損耗 (低 Ciss)
· 無橫流 (cross-current) 損耗 (低 Cgd/Ciss 比率，避免擊穿 (shoot-through) 效應)
· 低體二極體 (body diode) 損耗 (低 Qrr 及硬式切換，縮短先斷後合(break-before-make) 的延遲時間)
當然，做爲開關之用的裝置必須具備穩定的結構，才能消耗大量的累增崩潰電量 (avalanche energy)，以確保整個安全操作範圍 (SOA)的運作都正常可靠。
元件概念及技術
NexFET 技術是電源應用的新一代 MOSFET，其中採用能夠成功放大無線射頻 (RF) 訊號的橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 裝置；圖 1請見剖面示意圖。電流會從最上層金屬化源極端流經平面閘極下方的側邊通道，並流至輕摻雜汲極 (LDD) 延伸區域，然後藉由低阻抗的垂直沈片 (vertical sinker) 轉向基板。無線射頻可提供最低的內部電容，而垂直電流可提供高電流密度，完全沒有 LDMOS 電晶體平面配置常出現的解偏壓問題。
圖 1. NexFET 裝置的剖面示意圖
NexFET 元件的源極金屬化具有獨特的拓墣，可在閘極的汲極隅點達到場效電板 (field-plate) 效應。場效電板能夠沿著 LDD 區域進行電場散佈，因此能夠降低閘極隅點的高電場峰值，最終能夠有效抑制熱載子 (hot carrier effect) 效應，此效應會造成一般常用 LDMOS 電晶體內閘極氧化物質量的惡化。
利用 LDD、場效電板及下方深 P 區域的電荷平衡，LDD 區域會提升到高度載子集中的程度。這有助於將裝置的阻抗 (RDS(on)) 降至最低。深 P 摻雜也可用來提供通道區域下方的一個大型電荷，以抑制短通道效應 (short channel effect)。如此的做法可設計出較短的通道，而不會産生任何與貫穿效應 (punch-through effect) 相關的問題。在連接至源極植入區域的淺溝槽中，會執行源極接觸。摻雜分佈 (doping profile) 工程技術可用來找出高汲極電壓的電氣故障位置。進而找出遠離閘極氧化物的累增崩潰産生熱載子，並且確保內部雙極電晶體結構不會達到極高的累增崩潰電流密度而被觸發。
最近二十年來，溝槽 MOSFET 已成爲低電壓 (小於 100V) 電源開關最成功的技術。圖 2 爲溝槽及 NexFET 技術的比較。溝槽技術的主要優點是主動式電池節距內具備高通道密度。然而，大區域的溝槽壁不利於縮小內部電容的體積。另外，溝槽下方外延層的中等摻雜程度使得電晶體的阻抗無法加以調整，並且會限制低汲極電壓應用 (例如低於 20V VDS,max) 中FET設計所具有的優點。
圖 2. Trench-FET 與 NexFET 的技術比較
設計人員可利用現成的最新精密平版印刷製程來結合細微的閘極線路與 LDD 區域的高摻雜度。此一全新的結構具有溝槽 MOSFET 技術的優異阻抗效能，又保有極低的電荷特性。橫跨源極與汲極的閘極最小重叠區能夠使內部 CGS 及 CGD 電容的體積縮小，因此可達到絕佳的切換效能。此外，LDD 區域的源極金屬場效電板可做爲遮罩汲極終端的解耦合閘極，這會大幅降低 CGD 值，即使是小量汲極電壓。對先進溝槽 MOSFET而言，較低的 CISS 及 CGD 值會使得 NexFET-FOM (RDS*QG 及 RDS*QGD 指標) 優於進行觀測的 FOM (見圖 3)。
圖 3. 評定 FOM 的效能
NexFET 切換效能
在同步降壓拓墣的 PWM 切換轉換器應用中，NexFET 元件及最新溝槽 MOSFET 的效能評定實驗資料 (圖 4) 在低功耗電源供應的領域中相當常見。對六相位的商用評估電路板而言，轉換器的效率被視爲輸出電流的功能之一。使用先進溝槽裝置取得的結果落在資料的鄰近群組內，誤差只有 ±0.5%。在整個負載電流的範圍中，NexFET 晶片組達到的轉換器效率高出 2% 至 3%。
圖 4. 伺服器應用中同步降壓轉換器所達到的效率
NexFET 電晶體具有相似於最佳溝槽裝置的體二極體反向恢復行爲 (body diode reverse recovery behaviour)，它們的差異在於 NexFET 可運用硬式 PWM 驅動器，其中電晶體的關閉不僅相當靈敏，而且尾部電流相當小，因此可達到較短的先斷後合延遲時間，而且能夠將二極體傳導時間及相關的二極體傳導功率損耗降至最低。換句話說，使用 NexFET 開關時，縮短閘極驅動器階段所需的延遲時間能夠進一步提升轉換器的效率。
圖 5 顯示 NexFET 解決方案與先進溝槽 FET 晶片組中 12V 同步降壓轉換器在功率損耗與切換頻率的相互關係比較。總結而言，轉換器的效率可維持在切換頻率的 90% 以上 (功率損耗爲 3W)，而使用 NexFET 裝置可將切換頻率從 500kHz 增加到 1MHz。驅動條件經過優化後，便能夠將此頻率實際增加到 1MHz 以上。
圖 5. 高切換頻率的 NexFET 啓用轉換器運作
摘要及展望
爲因應對於理想開關的需求，NexFET 技術可提供下列功能：
·特定 RDS(on) 能夠與最新溝槽 FET 相比擬
·更低的 CISS 及 CGD 可提升 FOM
·大幅改善切換損耗及驅動器損耗
·CGD 與 CISS 的比率近似於溝槽 FET，但是絕對 CGD 值相當小，而且透過米勒電容 (Miller capacitance) 將電荷回饋的總數降至最低，可提升擊穿效應的抗擾性。
·體二極體的 Qrr 相當近似，但是可以更加重NexFET 電晶體的切換，而且可以大幅縮短驅動器所導致的停滯時間 (dead time)。
只要將 NexFET 晶片組置入既有系統中，即可觀測出轉換器效率的確切優點。NexFET 技術能夠使轉換器以更高的切換頻率進行運作，最終使得濾波器元件的體積與成本降至最低。
關於作者
Jacek Korec 博士擁有 30 多年的半導體産業資歷，現任德州儀器功率級部門 (前身爲 Ciclon Semiconductor) 資深電源科學家。進入 Ciclon 之前，Jacek 曾任 Silicon Semiconductor 工程副總裁，並且身兼 Vishay-Siliconix 裝置設計總監與首席科學家的職務。擔任此職務期間，Jacek 對於新款離散式 MOSFET 産品的開發及實作貢獻良多。在職涯的早期階段，Jacek 在德國 Daimler-Benz 中央研究中心服務 10 年之久，負責管理電源半導體裝置及 IC 部門。Jacek 曾獨力及共同發表 60 多篇科學文章，並擁有 35 項以上的專利。
Shuming Xu 現任德州儀器功率級部門 (前身爲 Ciclon Semiconductor) 主要技術策劃師，負責領導功率級進階解決方案的開發。Shuming 爲 Ciclon Semiconductor 的共同創辦人，其間曾開發出相當高速的功率 MOSFET，以高效率提升功率密度。Shuming 擁有德國不來梅大學博士學位，並擁有 30 多項專利。
功率 MOSFET 可做爲高頻率脈衝寬度調變 (PWM) 應用中的電氣開關，例如穩壓器及/或控制電源應用之中負載電流的開關。做爲負載開關使用時，由於切換時間通常較長，因此裝置的成本、尺寸及導通電阻 (on-resistance) 是設計時考慮的重點。用於 PWM 應用時，電晶體必須在切換期間達到最低的功率損耗，對於促使 MOSFET 設計愈形嚴苛且時間成本更高的小型內部電容而言，這已成爲另一項必要的需求。設計人員需要特別注意閘極對汲極 (Cgd) 電容，因爲這類電容決定了切換期間的電壓暫態時間，這是影響切換功率損耗最重要的參數。
用於同步降壓轉換器—電腦應用中最常用的轉換器拓墣—的「理想」開關，必須具備下列需求：
· 低傳導損耗 (低 Rds,on)
· 低切換損耗 (低 Cgd)
· 低驅動器損耗 (低 Ciss)
· 無橫流 (cross-current) 損耗 (低 Cgd/Ciss 比率，避免擊穿 (shoot-through) 效應)
· 低體二極體 (body diode) 損耗 (低 Qrr 及硬式切換，縮短先斷後合(break-before-make) 的延遲時間)
當然，做爲開關之用的裝置必須具備穩定的結構，才能消耗大量的累增崩潰電量 (avalanche energy)，以確保整個安全操作範圍 (SOA)的運作都正常可靠。
元件概念及技術
NexFET 技術是電源應用的新一代 MOSFET，其中採用能夠成功放大無線射頻 (RF) 訊號的橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 裝置；圖 1請見剖面示意圖。電流會從最上層金屬化源極端流經平面閘極下方的側邊通道，並流至輕摻雜汲極 (LDD) 延伸區域，然後藉由低阻抗的垂直沈片 (vertical sinker) 轉向基板。無線射頻可提供最低的內部電容，而垂直電流可提供高電流密度，完全沒有 LDMOS 電晶體平面配置常出現的解偏壓問題。
圖 1. NexFET 裝置的剖面示意圖
NexFET 元件的源極金屬化具有獨特的拓墣，可在閘極的汲極隅點達到場效電板 (field-plate) 效應。場效電板能夠沿著 LDD 區域進行電場散佈，因此能夠降低閘極隅點的高電場峰值，最終能夠有效抑制熱載子 (hot carrier effect) 效應，此效應會造成一般常用 LDMOS 電晶體內閘極氧化物質量的惡化。
利用 LDD、場效電板及下方深 P 區域的電荷平衡，LDD 區域會提升到高度載子集中的程度。這有助於將裝置的阻抗 (RDS(on)) 降至最低。深 P 摻雜也可用來提供通道區域下方的一個大型電荷，以抑制短通道效應 (short channel effect)。如此的做法可設計出較短的通道，而不會産生任何與貫穿效應 (punch-through effect) 相關的問題。在連接至源極植入區域的淺溝槽中，會執行源極接觸。摻雜分佈 (doping profile) 工程技術可用來找出高汲極電壓的電氣故障位置。進而找出遠離閘極氧化物的累增崩潰産生熱載子，並且確保內部雙極電晶體結構不會達到極高的累增崩潰電流密度而被觸發。
最近二十年來，溝槽 MOSFET 已成爲低電壓 (小於 100V) 電源開關最成功的技術。圖 2 爲溝槽及 NexFET 技術的比較。溝槽技術的主要優點是主動式電池節距內具備高通道密度。然而，大區域的溝槽壁不利於縮小內部電容的體積。另外，溝槽下方外延層的中等摻雜程度使得電晶體的阻抗無法加以調整，並且會限制低汲極電壓應用 (例如低於 20V VDS,max) 中FET設計所具有的優點。
圖 2. Trench-FET 與 NexFET 的技術比較
設計人員可利用現成的最新精密平版印刷製程來結合細微的閘極線路與 LDD 區域的高摻雜度。此一全新的結構具有溝槽 MOSFET 技術的優異阻抗效能，又保有極低的電荷特性。橫跨源極與汲極的閘極最小重叠區能夠使內部 CGS 及 CGD 電容的體積縮小，因此可達到絕佳的切換效能。此外，LDD 區域的源極金屬場效電板可做爲遮罩汲極終端的解耦合閘極，這會大幅降低 CGD 值，即使是小量汲極電壓。對先進溝槽 MOSFET而言，較低的 CISS 及 CGD 值會使得 NexFET-FOM (RDS*QG 及 RDS*QGD 指標) 優於進行觀測的 FOM (見圖 3)。
圖 3. 評定 FOM 的效能
NexFET 切換效能
在同步降壓拓墣的 PWM 切換轉換器應用中，NexFET 元件及最新溝槽 MOSFET 的效能評定實驗資料 (圖 4) 在低功耗電源供應的領域中相當常見。對六相位的商用評估電路板而言，轉換器的效率被視爲輸出電流的功能之一。使用先進溝槽裝置取得的結果落在資料的鄰近群組內，誤差只有 ±0.5%。在整個負載電流的範圍中，NexFET 晶片組達到的轉換器效率高出 2% 至 3%。
圖 4. 伺服器應用中同步降壓轉換器所達到的效率
NexFET 電晶體具有相似於最佳溝槽裝置的體二極體反向恢復行爲 (body diode reverse recovery behaviour)，它們的差異在於 NexFET 可運用硬式 PWM 驅動器，其中電晶體的關閉不僅相當靈敏，而且尾部電流相當小，因此可達到較短的先斷後合延遲時間，而且能夠將二極體傳導時間及相關的二極體傳導功率損耗降至最低。換句話說，使用 NexFET 開關時，縮短閘極驅動器階段所需的延遲時間能夠進一步提升轉換器的效率。
圖 5 顯示 NexFET 解決方案與先進溝槽 FET 晶片組中 12V 同步降壓轉換器在功率損耗與切換頻率的相互關係比較。總結而言，轉換器的效率可維持在切換頻率的 90% 以上 (功率損耗爲 3W)，而使用 NexFET 裝置可將切換頻率從 500kHz 增加到 1MHz。驅動條件經過優化後，便能夠將此頻率實際增加到 1MHz 以上。
圖 5. 高切換頻率的 NexFET 啓用轉換器運作
摘要及展望
爲因應對於理想開關的需求，NexFET 技術可提供下列功能：
·特定 RDS(on) 能夠與最新溝槽 FET 相比擬
·更低的 CISS 及 CGD 可提升 FOM
·大幅改善切換損耗及驅動器損耗
·CGD 與 CISS 的比率近似於溝槽 FET，但是絕對 CGD 值相當小，而且透過米勒電容 (Miller capacitance) 將電荷回饋的總數降至最低，可提升擊穿效應的抗擾性。
·體二極體的 Qrr 相當近似，但是可以更加重NexFET 電晶體的切換，而且可以大幅縮短驅動器所導致的停滯時間 (dead time)。
只要將 NexFET 晶片組置入既有系統中，即可觀測出轉換器效率的確切優點。NexFET 技術能夠使轉換器以更高的切換頻率進行運作，最終使得濾波器元件的體積與成本降至最低。
關於作者
Jacek Korec 博士擁有 30 多年的半導體産業資歷，現任德州儀器功率級部門 (前身爲 Ciclon Semiconductor) 資深電源科學家。進入 Ciclon 之前，Jacek 曾任 Silicon Semiconductor 工程副總裁，並且身兼 Vishay-Siliconix 裝置設計總監與首席科學家的職務。擔任此職務期間，Jacek 對於新款離散式 MOSFET 産品的開發及實作貢獻良多。在職涯的早期階段，Jacek 在德國 Daimler-Benz 中央研究中心服務 10 年之久，負責管理電源半導體裝置及 IC 部門。Jacek 曾獨力及共同發表 60 多篇科學文章，並擁有 35 項以上的專利。
Shuming Xu 現任德州儀器功率級部門 (前身爲 Ciclon Semiconductor) 主要技術策劃師，負責領導功率級進階解決方案的開發。Shuming 爲 Ciclon Semiconductor 的共同創辦人，其間曾開發出相當高速的功率 MOSFET，以高效率提升功率密度。Shuming 擁有德國不來梅大學博士學位，並擁有 30 多項專利。
