用于Buck电路的低压功率开关管的功耗研究

摘要

本文的目标是找出具有更低功耗的新型器件结构,以满足以手提电脑中CPU电源电路对功率管的功率损耗提出的日益苛刻的要求。随着CPU性能的迅速提高,对CPU电源用功率管的自身损耗提出了更高的要求。目前广泛使用的MOSFET功率管由于自身结构的限制,发展潜力已经不大,国际上开始研究将常断型JFET和常通型JFET用于该用途。本研究在常规沟槽栅JFET结构的基础上,提出了创造性的改进,即把沟槽栅下的临近电极处的部分Si层替换为绝缘的且电容率仅为硅1/3的SiO2层,以此来减小栅沟PN结的面积和介质的电容率来有效的减小栅-漏电容CGD,从而减小开关损耗。 为了检验创新结构的效果,本文对本研究提出的新结构以及现有国际上先进的常断,常通JFET结构,和沟槽栅MOSFET结构进行了仿真研究与对比。利用ISE仿真软件,研究了五种结构器件的静态特性和开关特性。最后,计算出开关器件的功耗,进行了对比分析。结果证明,在这些器件的典型工作电流ID=15A时,常通JFET尤其是埋氧常通JFET相比MOSFET已经有了明显的功耗优势,并且随着开关频率越高,漏极电流越低,JFET的功耗优势越明显。并且,常通型JFET优于常闭型JFET,新型埋氧JFET优于常规无埋氧结构JFET。在ID=4A,f=2MHz时,常规常断JFET比MOSFET降低功耗31.1％,新型埋氧常断JFET降低功耗34.6％,常规常通JFET降低功耗34.2％,新型埋氧常通JFET降低功耗47.6％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外发展现状

1.3本课题研究内容

1.4本章小结

第2章JFET器件结构及工作原理

2.1场效应晶体管简介

2.2 JFET器件典型结构

2.2.1表面栅结构

2.2.2隐埋栅结构

2.2.3沟槽栅结构

2.3具有类五极管特性JFET的工作原理

2.4具有类三极管特性JFET的工作原理

2.4.1沟道势垒的形成

2.4.2 双极模式下常断JFET的工作原理

2.5本章小结

第3章Buck电路原理及功耗分析

3.1开关电源及其基本分类

3.2降压型Buck电路的原理

3.3开关电路的功耗分析

3.4本章小结

第4章仿真工具与器件物理模型

4.1仿真工具工具简介

4.2基本方程

4.3物理模型

4.3.1载流子产生-复合模型

4.3.2迁移率模型

4.3.3半导体能带结构模型

4.4边界条

4.5数值求值方法

4.5.1离散化

4.5.2求解方法

4.6本章小结

第5章仿真结果及功耗分析

5.1 器件结构和仿真用器件结构参数

5.1.1沟槽删MOSFET

5.1.2常规常断JFET

5.1.3常规常通JFET

5.1.4埋氧常断JFET

5.1.5埋氧常通JFET

5.2静态特性仿真

5.2.1沟槽栅MOSFET静态特性仿真

5.2.2常规常断JFET静态仿真特性

5.2.3埋氧常断JFET静态特性曲线

5.2.4常规常断JFET静态特性曲线

5.2.5埋氧常通JFET的静态特性

5.3开关动态特性仿真

5.3.1测试电路分析

5.4各器件的功耗对比

5.5对结论的解释和分析

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

附录

致谢