三分钟读懂超级结MOSFET

雷本祖2017-08-02 09:43

基于超级结技术的功率MOSFET已成为高压开关转换器领域的业界规范。它们提供更低的RDS(on),同时具有更少的栅极和和输出电荷,这有助于在任意给定频率下保持更高的效率。在超级结MOSFET出现之前,高压器件的主要设计平台是基于平面技术。这个时候,有心急的网友就该问了,超级结究竟是何种技术,区别于平面技术,它的优势在哪里?各位客官莫急,看完这篇文章你就懂了!

平面式高压MOSFET的结构

图1显示了一种传统平面式高压MOSFET的简单结构。平面式MOSFET通常具有高单位芯片面积漏源导通电阻,并伴随相对更高的漏源电阻。使用高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伴随高栅极和输出电荷,这会增加开关损耗和成本。另外还存在对于总硅片电阻能够达到多低的限制。器件的总RDS(on)可表示为通道、epi和衬底三个分量之和:

RDS(on) = Rch + Repi + Rsub

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图1:传统平面式MOSFET结构

图2显示平面式MOSFET情况下构成RDS(on) 的各个分量。对于低压MOSFET,三个分量是相似的。但随着额定电压增加,外延层需要更厚和更轻掺杂,以阻断高压。额定电压每增加一倍,维持相同的RDS(on)所需的面积就增加为原来的五倍以上。对于额定电压为600V的MOSFET,超过95%的电阻来自外延层。显然,要想显著减小RDS(on)的值,就需要找到一种对漂移区进行重掺杂的方法,并大幅减小epi电阻。

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图2:平面式MOSFET的电阻性元件

通常,高压的功率MOSFET采用平面型结构,其中,厚的低掺杂的N-的外延层,即epi层,用来保证具有足够的击穿电压,低掺杂的N-的epi层的尺寸越厚,耐压的额定值越大,但是其导通电阻也急剧的增大。导通电阻随电压以2.4-2.6次方增长,这样,就降低的电流的额定值。为了得到一定的导通电阻值,就必须增大硅片的面积,成本随之增加。如果类似于IGBT引入少数载流子导电,可以降低导通压降,但是少数载流子的引入会降低工作的开关频率,并产生关断的电流拖尾,从而增加开关损耗。

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,要想保证高压的功率MOSFET具有足够的击穿电压,同时,降低导通电阻,最直观的方法就是:在器件关断时,让低掺杂的外延层保证要求的耐压等级,同时,在器件导通时,形成一个高掺杂N+区,作为功率MOSFET导通时的电流通路,也就是将反向阻断电压与导通电阻功能分开,分别设计在不同的区域,就可以实现上述的要求。

基于超结SuperJunction的内建横向电场的高压功率MOSFET就是基本这种想法设计出的一种新型器件。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图3所示。英飞凌最先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,通常称为超结型功率MOSFET。

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图3:内建横向电场的SuperJunction结构

垂直导电N+区夹在两边的P区中间,当MOS关断时,形成两个反向偏置的PN结:P和垂直导电N+、P+和外延epi层N-。栅极下面的的P区不能形成反型层产生导电沟道,P和垂直导电N+形成PN结反向偏置,PN结耗尽层增大,并建立横向水平电场;同时,P+和外延层N-形成PN结也是反向偏置形,产生宽的耗尽层,并建立垂直电场。由于垂直导电N+区掺杂浓度高于外延区N-的掺杂浓度,而且垂直导电N+区两边都产生横向水平电场,这样垂直导电的N+区整个区域基本上全部都变成耗尽层,即由N+变为N-,这样的耗尽层具有非常高的纵向的阻断电压,因此,器件的耐压就取决于高掺杂P+区与低掺杂外延层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型导电沟道,同时,源极区的电子通过导电沟道进入垂直的N+区,中和N+区的正电荷空穴,从而恢复被耗尽的N+型特性,因此导电沟道形成,垂直N+区掺杂浓度高,具有较低的电阻率,因此导通电阻低。

比较平面结构和沟槽结构的功率MOSFET,可以发现,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低阻抗电流通路的沟槽,因此具有平面型结构的高耐压和沟槽型结构低电阻的特性。

内建横向电场的高压超结型结构与平面型结构相比较,同样面积的硅片可以设计更低的导通电阻,因此具有更大的额定电流值和雪崩能量。由于要开出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直接制作:通过一层一层的外延生长得到N+沟槽和直接开沟槽。前者工艺相对的容易控制,但工艺的程序多,成本高;后者成本低,但不容易保证沟槽内性能的一致性。 

超结型结构的工作原理

1、关断状态

从图4中可以看到,垂直导电N+区夹在两边的P区中间,当MOS关断时,也就是G极的电压为0时,横向形成两个反向偏置的PN结:P和垂直导电N+、P+和外延epi层N-。栅极下面的的P区不能形成反型层产生导电沟道,左边P和中间垂直导电N+形成PN结反向偏置,右边P和中间垂直导电N+形成PN结反向偏置,PN结耗尽层增大,并建立横向水平电场。

当中间的N+的渗杂浓度和宽度控制得合适,就可以将中间的N+完全耗尽,如图4(b)所示,这样在中间的N+就没有自由电荷,相当于本征半导体,中间的横向电场极高,只有外部电压大于内部的横向电场,才能将此区域击穿,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决定。

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图4:横向电场及耗尽层

注意到,P+和外延层N-形成PN结也是反向偏置形,有利于产生更宽的耗尽层,增加垂直电场。

2、开通状态

当G极加上驱动电压时,在G极的表面将积累正电荷,同时,吸引P区的电子到表面,将P区表面空穴中和,在栅极下面形成耗尽层,如图5示。随着G极的电压提高,栅极表面正电荷增强,进一步吸引P区电子到表面,这样,在G极下面的P型的沟道区中,积累负电荷,形成N型的反型层,同时,由于更多负电荷在P型表面积累,一些负电荷将扩散进入原来完全耗尽的垂直的 N+,横向的耗尽层越来越减小,横向的电场也越来越小。G极的电压进一步提高,P区更宽范围形成N型的反型层,最后,N+区域回到原来的高渗杂的状态,这样,就形成的低导通电阻的电流路径,如图5(c)所示。

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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开发的一种专利结构,虽然电流密度低于超结型,但抗大电流冲击能力非常优异。

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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技术的重大发展并具有显著优点,其RDS(on)、栅极容值和输出电荷以及管芯尺寸同时得到降低。为充分利用这些快速和高效器件,设计工程师需要非常注意其系统设计,特别是减小PCB寄生效应。超结MOS管产品主要有以下几种应用:1)电脑、服务器的电源——更低的功率损耗;2)适配器(笔记本电脑,打印机等)——更轻、更便捷;3)照明(HID灯,工业照明,道路照明等)——更高的功率转换效率;4)消费类电子产品(液晶电视,等离子电视等)——更轻、更薄、更高能效。 

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