一篇文章读懂超级结MOSFET的优势

本文摘要：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。

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。

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。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。

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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