新(xīn)型PMOS器件注意NMOS的低导通電(diàn)阻

2021-02-22

尽管宽带隙半导體(tǐ)（如SiC和GaN）在高压应用(yòng)（如数据中心和電(diàn)动汽車(chē)）中变得越来越流行，但硅FET并没有(yǒu)被遗忘。 

硅，SiC和GaN中效率与开关频率的关系。

由于硅FET仍被更广泛地使用(yòng)，因此设计人员也要求该技术在更高電(diàn)压下也要求更高的效率。為(wèi)了应对这一挑战，ROHM Semiconductor最近宣布了其第五代P沟道MOSFET，以提高高端开关应用(yòng)的性能(néng)。 

NMOS与PMOS布局 

N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）MOSFET之间的區(qū)别与ROHM的宣布有(yǒu)关，因為(wèi)该公司正在努力将N沟道MOSFET的某些优势带入这个新(xīn)的P沟道MOSFET系列。 

 

CMOS技术中的NMOS和PMOS硅布局。

NMOS和PMOS器件的工作原理(lǐ)相同，但是可(kě)以将它们视為(wèi)彼此相反的事物(wù)。从硅布局的角度来看，NMOS由两个负掺杂的n +阱（用(yòng)于漏极和源极）和正掺杂的p型衬底组成。另一方面，PMOS具有(yǒu)两个正掺杂的p +型阱和一个负掺杂的n型衬底。 

当在栅极電(diàn)压的高侧使用(yòng)时，NMOS器件具有(yǒu)更高的效率-在高于所需電(diàn)压的输入電(diàn)压下。但是，这可(kě)能(néng)导致复杂的電(diàn)路配置。或者，由于PMOS器件可(kě)以用(yòng)低于输入電(diàn)压的栅极電(diàn)压驱动，因此可(kě)以简化電(diàn)路配置并减少设计负载。 

不同的布局，不同的操作 

布局上的这种差异导致操作上的差异。 

為(wèi)了在NMOS中感应出沟道，设计人员必须在栅极上相对于源极施加非常正的電(diàn)压，以在沟道中形成一个反型层，从而允许负電(diàn)子在漏极和源极之间流动。PMOS需要相反的要求，即在栅极上需要相对于源极的低電(diàn)平電(diàn)压，并允许空穴流过沟道。 

这种现象比简单解释中所包含的复杂性要大得多(duō)。下图显示了整个工作區(qū)域和偏置要求的更全面视图。 

NMOS与PMOS工作區(qū)，偏置点和電(diàn)流方程式。

除了必须在不同的偏置点下工作之外，NMOS和PMOS器件还具有(yǒu)不同的载流子类型（空穴与電(diàn)子）。電(diàn)子具有(yǒu)比空穴高得多(duō)的迁移率（高出空穴两到三倍），这意味着NMOS器件往往具有(yǒu)更高的功率效率，且开关时间更短，R DS（on）值更低。 

弱1和0 

如果PMOS装置速度较慢且效率较低，為(wèi)什么还要使用(yòng)它们呢(ne)？有(yǒu)时，它们是唯一的选择。在某些应用(yòng)程序中，NMOS设备不能(néng)总是有(yǒu)效地使用(yòng)。 

当用(yòng)VDD驱动时，NMOS器件通过“弱1”。

由于前面讨论的偏置点要求，NMOS器件不太适合用(yòng)作上拉器件。為(wèi)了使NMOS导通，VGS必须大于Vt。如果漏极连接到VDD（上拉配置）并以等于VDD的電(diàn)压驱动，则其源极只能(néng)达到VGS-VT。由于无法通过设备的整个電(diàn)压，因此称為(wèi)“弱1”。 

同样，PMOS器件会传递“弱0”，不适合下拉网络。

复杂電(diàn)路 

因此，要在上拉应用(yòng)中成功使用(yòng)NMOS器件，设计人员必须以高于输入電(diàn)压的電(diàn)压電(diàn)平驱动栅极。当然，这里的问题是，这需要复杂的额外電(diàn)路，包括DC-DC转换器来生成额外的電(diàn)压。否则，必须接受PMOS的相对低效率。 

尽管NMOS将始终具有(yǒu)比PMOS更高的工作效率，但这并不是说PMOS无法改进。这似乎是ROHM的第五代PMOS器件的意图。 

根据ROHM的说法，新(xīn)一代器件同时具有(yǒu)-40 V和-60 V器件，与传统产品相比，R DS（on）降低了62％和52％。这些值可(kě)以低至5.2毫欧，高至78毫欧。 

 

ROHM的第5代PMOS器件的应用(yòng)電(diàn)路。

ROHM声称，这些改进是在器件结构中集成优化的结果，同时“采用(yòng)了一种新(xīn)的设计来减轻電(diàn)场集中在栅极沟槽拐角处的電(diàn)场集中”。这样，该公司能(néng)够提高可(kě)靠性，同时最大程度地降低导通電(diàn)阻。 

升级電(diàn)源管理(lǐ)和工业交换机

使用(yòng)效率更高的PMOS器件，设计人员在他(tā)们的应用(yòng)中无需面对NMOS和PMOS器件之间的折衷。ROHM预计，该新(xīn)系列对于在工业或大型消费类设备中使用(yòng)风扇電(diàn)机和電(diàn)源管理(lǐ)开关或工业开关的设计人员很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。这可(kě)能(néng)会扩展到机器人技术，交流系统和工厂自动化。