新型PMOS器件注意NMOS的低導通電阻

2021-02-22

盡管寬帶隙半導體（如SiC和GaN）在高壓應用（如數據中心和電動(dòng)汽車(chē)）中變得越來(lái)越流行，但硅FET并沒(méi)有被遺忘。 

硅，SiC和GaN中效率與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系。

由于硅FET仍被更廣泛地使用，因此設計人員也要求該技術(shù)在更高電壓下也要求更高的效率。為了應對這一挑戰，ROHM Semiconductor最近宣布了其第五代P溝道MOSFET，以提高高端開(kāi)關(guān)應用的性能。 

NMOS與PMOS布局 

N溝道（NMOS）和P溝道（PMOS）MOSFET之間的區別與ROHM的宣布有關(guān)，因為該公司正在努力將N溝道MOSFET的某些優(yōu)勢帶入這個(gè)新的P溝道MOSFET系列。 

 

CMOS技術(shù)中的NMOS和PMOS硅布局。

NMOS和PMOS器件的工作原理相同，但是可以將它們視為彼此相反的事物。從硅布局的角度來(lái)看，NMOS由兩個(gè)負摻雜的n +阱（用于漏極和源極）和正摻雜的p型襯底組成。另一方面，PMOS具有兩個(gè)正摻雜的p +型阱和一個(gè)負摻雜的n型襯底。 

當在柵極電壓的高側使用時(shí)，NMOS器件具有更高的效率-在高于所需電壓的輸入電壓下。但是，這可能導致復雜的電路配置?；蛘?，由于PMOS器件可以用低于輸入電壓的柵極電壓驅動(dòng)，因此可以簡(jiǎn)化電路配置并減少設計負載。 

不同的布局，不同的操作 

布局上的這種差異導致操作上的差異。 

為了在NMOS中感應出溝道，設計人員必須在柵極上相對于源極施加非常正的電壓，以在溝道中形成一個(gè)反型層，從而允許負電子在漏極和源極之間流動(dòng)。PMOS需要相反的要求，即在柵極上需要相對于源極的低電平電壓，并允許空穴流過(guò)溝道。 

這種現象比簡(jiǎn)單解釋中所包含的復雜性要大得多。下圖顯示了整個(gè)工作區域和偏置要求的更全面視圖。 

NMOS與PMOS工作區，偏置點(diǎn)和電流方程式。

除了必須在不同的偏置點(diǎn)下工作之外，NMOS和PMOS器件還具有不同的載流子類(lèi)型（空穴與電子）。電子具有比空穴高得多的遷移率（高出空穴兩到三倍），這意味著(zhù)NMOS器件往往具有更高的功率效率，且開(kāi)關(guān)時(shí)間更短，R DS（on）值更低。 

弱1和0 

如果PMOS裝置速度較慢且效率較低，為什么還要使用它們呢？有時(shí)，它們是唯一的選擇。在某些應用程序中，NMOS設備不能總是有效地使用。 

當用VDD驅動(dòng)時(shí)，NMOS器件通過(guò)“弱1”。

由于前面討論的偏置點(diǎn)要求，NMOS器件不太適合用作上拉器件。為了使NMOS導通，VGS必須大于Vt。如果漏極連接到VDD（上拉配置）并以等于VDD的電壓驅動(dòng)，則其源極只能達到VGS-VT。由于無(wú)法通過(guò)設備的整個(gè)電壓，因此稱(chēng)為“弱1”。 

同樣，PMOS器件會(huì )傳遞“弱0”，不適合下拉網(wǎng)絡(luò )。

復雜電路 

因此，要在上拉應用中成功使用NMOS器件，設計人員必須以高于輸入電壓的電壓電平驅動(dòng)柵極。當然，這里的問(wèn)題是，這需要復雜的額外電路，包括DC-DC轉換器來(lái)生成額外的電壓。否則，必須接受PMOS的相對低效率。 

盡管NMOS將始終具有比PMOS更高的工作效率，但這并不是說(shuō)PMOS無(wú)法改進(jìn)。這似乎是ROHM的第五代PMOS器件的意圖。 

根據ROHM的說(shuō)法，新一代器件同時(shí)具有-40 V和-60 V器件，與傳統產(chǎn)品相比，R DS（on）降低了62％和52％。這些值可以低至5.2毫歐，高至78毫歐。 

 

ROHM的第5代PMOS器件的應用電路。

ROHM聲稱(chēng)，這些改進(jìn)是在器件結構中集成優(yōu)化的結果，同時(shí)“采用了一種新的設計來(lái)減輕電場(chǎng)集中在柵極溝槽拐角處的電場(chǎng)集中”。這樣，該公司能夠提高可靠性，同時(shí)最大程度地降低導通電阻。 

升級電源管理和工業(yè)交換機

使用效率更高的PMOS器件，設計人員在他們的應用中無(wú)需面對NMOS和PMOS器件之間的折衷。ROHM預計，該新系列對于在工業(yè)或大型消費類(lèi)設備中使用風(fēng)扇電機和電源管理開(kāi)關(guān)或工業(yè)開(kāi)關(guān)的設計人員很有用。這可能會(huì )擴展到機器人技術(shù)，交流系統和工廠(chǎng)自動(dòng)化。