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一篇文章读懂超级结MOSFET的优势

平面式高压MOSFET的结构图1表明了一种传统平面式高压MOSFET的非常简单结构。平面式MOSFET一般来说具备低单位芯片面积漏源导通电阻,并预示比较更高的漏源电阻。

用于低单元密度和大管芯尺寸可实现较低的RDS(on)值。但大单元密度和管芯尺寸还预示低栅极和输入电荷,这不会减少开关损耗和成本。另外还不存在对于总硅片电阻需要超过多较低的容许。器件的总RDS(on)可回应为地下通道、epi和衬底三个分量之和:RDS(on)=Rch+Repi+Rsub图1:传统平面式MOSFET结构图2表明平面式MOSFET情况下包含RDS(on)的各个分量。

对于高压MOSFET,三个分量是相近的。但随着额定电压减少,外延层必须更加薄和轻巧掺入,以切断高压。

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额定电压每增加一倍,保持完全相同的RDS(on)所需的面积就减少为原本的五倍以上。对于额定电压为600V的MOSFET,多达95%的电阻来自外延层。

似乎,要想要明显增大RDS(on)的值,就必须寻找一种对漂移区展开轻掺入的方法,并大幅度增大epi电阻。图2:平面式MOSFET的电阻性元件一般来说,高压的功率MOSFET使用平面型结构,其中,薄的较低掺入的N-的外延层,即epi层,用来确保具备充足的穿透电压,较低掺入的N-的epi层的尺寸就越薄,耐压的额定值越大,但是其导通电阻也急遽的减小。导通电阻随电压以2.4-2.6次方快速增长,这样,就减少的电流的额定值。为了获得一定的导通电阻值,就必需减小硅片的面积,成本随之减少。

如果类似于IGBT引进少数载流子导电,可以减少导通压降,但是少数载流子的引进不会减少工作的电源频率,并产生变频器的电流扯尾,从而减少开关损耗。超级结MOSFET的结构高压的功率MOSFET的外延层对总的导通电阻起主导作用,要想要确保高压的功率MOSFET具备充足的穿透电压,同时,减少导通电阻,最直观的方法就是:在器件变频器时,让较低掺入的外延层确保拒绝的耐压等级,同时,在器件导通时,构成一个低掺入N+区,作为功率MOSFET导通时的电流通路,也就是将偏移切断电压与导通电阻功能分离,分别设计在有所不同的区域,就可以构建上述的拒绝。基于超结SuperJunction的内辟纵向电场的高压功率MOSFET就是基本这种点子设计出有的一种新型器件。

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内辟纵向电场的高压MOSFET的剖面结构及低切断电压较低导通电阻的示意图如图3右图。英飞凌年所将这种结构生产出来,并为这种结构的MOSFET设计了一种商标CoolMOS,这种结构从学术上来说,一般来说称作超结型功率MOSFET。

图3:内辟纵向电场的SuperJunction结构横向导电N+区垫在两边的P区中间,当MOS变频器时,构成两个偏移偏置的PN结:P和横向导电N+、P+和外延epi层N-。栅极下面的的P区无法构成反型层产生导电闸极,P和横向导电N+构成PN结偏移偏置,PN结耗尽层减小,并创建纵向水平电场;同时,P+和外延层N-构成PN拢也是偏移偏置形,产生长的耗尽层,并创建横向电场。由于横向导电N+区掺入浓度低于外延区N-的掺入浓度,而且横向导电N+区两边都产生纵向水平电场,这样横向导电的N+区整个区域基本上全部都变为耗尽层,即由N+变成N-,这样的耗尽层具备十分低的横向的切断电压,因此,器件的耐压就各不相同低掺入P+区与较低掺入外延层N-区的耐压。当MOS导通时,栅极和源极的电场将栅极下的P区反型,在栅极下面的P区产生N型导电闸极,同时,源极区的电子通过导电闸极转入横向的N+区,中和N+区的正电荷空穴,从而完全恢复被消耗的N+型特性,因此导电闸极构成,横向N+区掺入浓度低,具备较低的电阻率,因此导通电阻较低。

较为平面结构和沟槽结构的功率MOSFET,可以找到,超结型结构实际是综合了平面型和沟槽型结构两者的特点,是在平面型结构中开一个较低电阻电流通路的沟槽,因此具备平面型结构的高耐压和沟槽型结构较低电阻的特性。内辟纵向电场的高压超结型结构与平面型结构相比较,某种程度面积的硅片可以设计更加较低的导通电阻,因此具备更大的额定电流值和雪崩能量。由于要班车N+沟槽,它的生产工艺比较复杂,目前N+沟槽主要有两种方法必要制作:通过一层一层的外延生长获得N+沟槽和必要进沟槽。

前者工艺比较的更容易掌控,但工艺的程序多,成本高;后者成本低,但不更容易确保沟槽内性能的一致性。超结型结构的工作原理1、变频器状态从图4中可以看见,横向导电N+区垫在两边的P区中间,当MOS变频器时,也就是G极的电压为0时,纵向构成两个偏移偏置的PN结:P和横向导电N+、P+和外延epi层N-。栅极下面的的P区无法构成反型层产生导电闸极,左边P和中间横向导电N+构成PN结偏移偏置,右边P和中间横向导电N+构成PN结偏移偏置,PN结耗尽层减小,并创建纵向水平电场。

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当中间的N+的渗杂浓度和宽度掌控得适合,就可以将中间的N+几乎消耗,如图4(b)右图,这样在中间的N+就没自由电荷,相等于本征半导体,中间的纵向电场极高,只有外部电压小于内部的纵向电场,才能将此区域穿透,所以,这个区域的耐压极高,远大于外延层的耐压,功率MOSFET管的耐压主要由外延层来要求。图4:纵向电场及耗尽层注意到,P+和外延层N-构成PN拢也是偏移偏置形,不利于产生更加长的耗尽层,减少横向电场。2、通车状态当G近于再加驱动电压时,在G极的表面将累积正电荷,同时,更有P区的电子到表面,将P区表面空穴中和,在栅极下面构成耗尽层,如图5必。

随着G极的电压提升,栅极表面正电荷强化,更进一步更有P区电子到表面,这样,在G近于下面的P型的闸极区中,累积负电荷,构成N型的反型层,同时,由于更加多负电荷在P型表面累积,一些负电荷将蔓延转入原本几乎消耗的横向的N+,纵向的耗尽层更加增大,纵向的电场也更加小。G极的电压进一步提高,P区更加长范围构成N型的反型层,最后,N+区域返回原本的低渗杂的状态,这样,就构成的低导通电阻的电流路径,如图5(c)右图。

图5:超结型导通过程另外还有一种介于平面和超结型结构中间的类型,是AOS研发的一种专利结构,虽然电流密度高于超结型,但抗大电流冲击能力十分出色。图6:介于平面和超结型结构中间的类型超级结结构是高压MOSFET技术的根本性发展并具备明显优点,其RDS(on)、栅极容值和输入电荷以及管芯尺寸同时获得减少。

为充分利用这些较慢和高效器件,设计工程师必须十分留意其系统设计,尤其是增大PCB宿主效应。超结MOS管产品主要有以下几种应用于:1)电脑、服务器的电源——更加较低的功率损耗;2)适配器(笔记本电脑,打印机等)——更加重、更加便利;3)灯光(HID灯,工业灯光,道路灯光等)——更高的功率切换效率;4)消费类电子产品(液晶电视,等离子电视等)——更加重、更加厚、更高能效。

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