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三分鐘讀懂超級結MOSFET

來源: 發布時間:2017-08-02 10:25:35 次瀏覽

基于超級結技術的功率MOSFET已成為高壓開關轉換器領域的業界規范。它們提供更低的RDS(on),同時具有更少的柵極和和輸出電荷,這有助于在任意給定頻率下保持更高的效率。在超級結MOSFET出現之前,高壓器件的主要設計平臺是基于平面技術。這個時候,有心急的網友就該問了,超級結究竟是何種技術,區別于平面技術,它的優勢在哪里?各位客官莫急,看完這篇文章你就懂了!

 

 

平面式高壓MOSFET的結構

 

 

圖1顯示了一種傳統平面式高壓MOSFET的簡單結構。平面式MOSFET通常具有高單位芯片面積漏源導通電阻,并伴隨相對更高的漏源電阻。使用高單元密度和大管芯尺寸可實現較低的RDS(on)值。但大單元密度和管芯尺寸還伴隨高柵極和輸出電荷,這會增加開關損耗和成本。另外還存在對于總硅片電阻能夠達到多低的限制。器件的總RDS(on)可表示為通道、epi和襯底三個分量之和:

 

RDS(on) = Rch + Repi + Rsub

 

圖1:傳統平面式MOSFET結構

 

圖2顯示平面式MOSFET情況下構成RDS(on) 的各個分量。對于低壓MOSFET,三個分量是相似的。但隨著額定電壓增加,外延層需要更厚和更輕摻雜,以阻斷高壓。額定電壓每增加一倍,維持相同的RDS(on)所需的面積就增加為原來的五倍以上。對于額定電壓為600V的MOSFET,超過95%的電阻來自外延層。顯然,要想顯著減小RDS(on)的值,就需要找到一種對漂移區進行重摻雜的方法,并大幅減小epi電阻。

 

 

圖2:平面式MOSFET的電阻性元件

 

通常,高壓的功率MOSFET采用平面型結構,其中,厚的低摻雜的N-的外延層,即epi層,用來保證具有足夠的擊穿電壓,低摻雜的N-的epi層的尺寸越厚,耐壓的額定值越大,但是其導通電阻也急劇的增大。導通電阻隨電壓以2.4-2.6次方增長,這樣,就降低的電流的額定值。為了得到一定的導通電阻值,就必須增大硅片的面積,成本隨之增加。如果類似于IGBT引入少數載流子導電,可以降低導通壓降,但是少數載流子的引入會降低工作的開關頻率,并產生關斷的電流拖尾,從而增加開關損耗。

 

 

超級結MOSFET的結構

 

 

高壓的功率MOSFET的外延層對總的導通電阻起主導作用,要想保證高壓的功率MOSFET具有足夠的擊穿電壓,同時,降低導通電阻,最直觀的方法就是:在器件關斷時,讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級,同時,在器件導通時,形成一個高摻雜N+區,作為功率MOSFET導通時的電流通路,也就是將反向阻斷電壓與導通電阻功能分開,分別設計在不同的區域,就可以實現上述的要求。

 

基于超結SuperJunction的內建橫向電場的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設計出的一種新型器件。內建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖3所示。英飛凌最先將這種結構生產出來,并為這種結構的MOSFET設計了一種商標CoolMOS,這種結構從學術上來說,通常稱為超結型功率MOSFET。

 

 

圖3:內建橫向電場的SuperJunction結構

 

垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間,當MOS關斷時,形成兩個反向偏置的PN結:P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區不能形成反型層產生導電溝道,P和垂直導電N+形成PN結反向偏置,PN結耗盡層增大,并建立橫向水平電場;同時,P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形,產生寬的耗盡層,并建立垂直電場。由于垂直導電N+區摻雜濃度高于外延區N-的摻雜濃度,而且垂直導電N+區兩邊都產生橫向水平電場,這樣垂直導電的N+區整個區域基本上全部都變成耗盡層,即由N+變為N-,這樣的耗盡層具有非常高的縱向的阻斷電壓,因此,器件的耐壓就取決于高摻雜P+區與低摻雜外延層N-區的耐壓。

 

當MOS導通時,柵極和源極的電場將柵極下的P區反型,在柵極下面的P區產生N型導電溝道,同時,源極區的電子通過導電溝道進入垂直的N+區,中和N+區的正電荷空穴,從而恢復被耗盡的N+型特性,因此導電溝道形成,垂直N+區摻雜濃度高,具有較低的電阻率,因此導通電阻低。

 

比較平面結構和溝槽結構的功率MOSFET,可以發現,超結型結構實際是綜合了平面型和溝槽型結構兩者的特點,是在平面型結構中開一個低阻抗電流通路的溝槽,因此具有平面型結構的高耐壓和溝槽型結構低電阻的特性。

 

內建橫向電場的高壓超結型結構與平面型結構相比較,同樣面積的硅片可以設計更低的導通電阻,因此具有更大的額定電流值和雪崩能量。由于要開出N+溝槽,它的生產工藝比較復雜,目前N+溝槽主要有兩種方法直接制作:通過一層一層的外延生長得到N+溝槽和直接開溝槽。前者工藝相對的容易控制,但工藝的程序多,成本高;后者成本低,但不容易保證溝槽內性能的一致性。 

 

 

超結型結構的工作原理

 

 

1、關斷狀態

 

從圖4中可以看到,垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間,當MOS關斷時,也就是G極的電壓為0時,橫向形成兩個反向偏置的PN結:P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區不能形成反型層產生導電溝道,左邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置,右邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置,PN結耗盡層增大,并建立橫向水平電場。

 

當中間的N+的滲雜濃度和寬度控制得合適,就可以將中間的N+完全耗盡,如圖4(b)所示,這樣在中間的N+就沒有自由電荷,相當于本征半導體,中間的橫向電場極高,只有外部電壓大于內部的橫向電場,才能將此區域擊穿,所以,這個區域的耐壓極高,遠大于外延層的耐壓,功率MOSFET管的耐壓主要由外延層來決定。

 

 

圖4:橫向電場及耗盡層

 

注意到,P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形,有利于產生更寬的耗盡層,增加垂直電場。

 

2、開通狀態

 

當G極加上驅動電壓時,在G極的表面將積累正電荷,同時,吸引P區的電子到表面,將P區表面空穴中和,在柵極下面形成耗盡層,如圖5示。隨著G極的電壓提高,柵極表面正電荷增強,進一步吸引P區電子到表面,這樣,在G極下面的P型的溝道區中,積累負電荷,形成N型的反型層,同時,由于更多負電荷在P型表面積累,一些負電荷將擴散進入原來完全耗盡的垂直的 N+,橫向的耗盡層越來越減小,橫向的電場也越來越小。G極的電壓進一步提高,P區更寬范圍形成N型的反型層,最后,N+區域回到原來的高滲雜的狀態,這樣,就形成的低導通電阻的電流路徑,如圖5(c)所示。

 

 

圖5:超結型導通過程

 

另外還有一種介于平面和超結型結構中間的類型,是AOS開發的一種專利結構,雖然電流密度低于超結型,但抗大電流沖擊能力非常優異。

 

 

圖6:介于平面和超結型結構中間的類型

 

超級結結構是高壓MOSFET技術的重大發展并具有顯著優點,其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時得到降低。為充分利用這些快速和高效器件,設計工程師需要非常注意其系統設計,特別是減小PCB寄生效應。超結MOS管產品主要有以下幾種應用:1)電腦、服務器的電源——更低的功率損耗;2)適配器(筆記本電腦,打印機等)——更輕、更便捷;3)照明(HID燈,工業照明,道路照明等)——更高的功率轉換效率;4)消費類電子產品(液晶電視,等離子電視等)——更輕、更薄、更高能效。 

 
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