[发明专利]热稳定性好的高功率半导体组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率半导体组件及电路的结构和性能，特别涉及一种如沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的热稳定性好的高功率半导体组件的电路设计、装置结构及制造方法。 

背景技术

随着高速化金属氧化物半导体(MOS)栅极器件的出现，如何维持高功率半导体组件的热稳定性已成为一特别的技术问题。尤其，当高功率半导体如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)应用在功率切换(power-switch)时，通常都处于高电流、高电压的环境下执行，此执行环境会造成大量的功率消耗，并使温度快速上升；就算正确地控制操作，高功率半导体同样会产生热失控现象(thermal runaway phenomenon)最终使装置和系统执行失败。 

有急迫的需要去解决此种技术问题，因为如金属氧化物半导体场效应晶体管这些高功率半导体广泛应用在多种电路系统中，特别是运用在高功率且高频率的切换操作作业上。当金属氧化物半导体场效应晶体管应用在低压降稳压器(low dropout voltage regulator，LDO)时，高功率的金属氧化物半导体场效应晶体管在饱和区域中操作，此时源极到漏极的电压(Vds)及源极到漏极的电流(Ids)具有高同步率。在此操作环境下，金属氧化物半导体场效应晶体管的功率消耗将造成温度上升，若设计不正确，更会发生热失控的情况，而高功率金属氧化物半导体场效应晶体管更会因过热而失败。 

 图1为高功率场效晶体管中典型的漏极电流对应栅极-源极电压(Vgs)的曲线图，而源极-漏极电压(Vds)固定不变。在图1中，一开始无法感知漏极电流(Ids)，直到输入的栅极-源极电压超过晶体管的阈值电压。当高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的操作温度上升时，晶体管的阈值电压Vt将会由于负温度系数(negative temperature coefficient，TC)的缘故而下降，由于温度上升，以Vgs-Vt定义的栅极过度驱动电压(gate overdrive voltage)也会上升，此栅极过度驱动电压更会使操作温度上升；此时，由于操作温度上升，又因为上升温度的载体移动率(the mobility ofthe carrier)下降，使晶体管的漏极电流有减少的趋势。一方面而言，较高的温度会使阈值电压减弱，使电流升高，但另一方面，较高的温度会使载体移动率下降而造成电流变小，而不幸的是这两种冲突矛盾无法互相抵消。图2所示为在约摄氏25度室温和摄氏125度时，将Ids对Vgs的曲线图迭加后的阈值电压Vt变化，其中在两曲线的左侧区域为负温度系数，而右侧区域则为正温度系数。 

如图2所示，阈值的降低可从源极-漏极电流(Ids)曲线的膝部向左变化看出。载体移动率下降使源极-漏极电流斜率减小，而两曲线的交叉点定义为Ids0。若金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电流大于Ids0，则漏极电流的温度系数(TC)为负值，而在金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电流小于Ids0时，漏极电流的温度系数(TC)为正值。当金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电流和电压使温度上升时会造成热失控的现象，且较高的温度也会造成电流上升，更会使晶体管的温度增加，此问题在高功率沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(trench power MOSFET)上甚至更严重，因为其具有高传导率。 

有为数众多的途径可解决这个问题，C.Blake在2005年11月出版的高功率电子科技的第40到44页文章「评估高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的可靠性」中介绍了低传导率的平面式金属氧化物半导体场效应晶体管(planar MOSFET)；此外，另一种相关技术利用将晶体管的源极镇流(ballasting)，更可帮助解决效果降低的问题，然而这两种途径都会使金属氧化物半导体场效应晶体管的接地电阻值增加。结果，必须制造出更大或更耗成本的晶体管才能克服热稳定性的问题。 

因此，本发明即针对上述现有技术的缺点，提出一种热稳定性佳的高功率半导体组件，从而有效克服上述问题。 

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种热稳定性好的高功率半导体组件，其包含一提供负温度系数栅极驱动信号的电路。此栅极驱动信号的负温度系数可 接着补偿高功率半导体组件阈值电压的负温度系数，进而提供一净温度系数Ids，从而获得热稳定性高的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件。