讀懂超級(jí)結(jié)MOSFET,它的優(yōu)勢(shì)在哪里?
發(fā)布時(shí)間:2017-08-03 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】基于超級(jí)結(jié)技術(shù)的功率MOSFET已成為高壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的業(yè)界規(guī)范。它們提供更低的RDS(on),同時(shí)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(jí)結(jié)MOSFET出現(xiàn)之前,高壓器件的主要設(shè)計(jì)平臺(tái)是基于平面技術(shù)。超級(jí)結(jié)究竟是何種技術(shù),區(qū)別于平面技術(shù),它的優(yōu)勢(shì)在哪里?
平面式高壓MOSFET的結(jié)構(gòu)
圖1顯示了一種傳統(tǒng)平面式高壓MOSFET的簡單結(jié)構(gòu)。平面式MOSFET通常具有高單位芯片面積漏源導(dǎo)通電阻,并伴隨相對(duì)更高的漏源電阻。使用高單元密度和大管芯尺寸可實(shí)現(xiàn)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(huì)增加開關(guān)損耗和成本。另外還存在對(duì)于總硅片電阻能夠達(dá)到多低的限制。器件的總RDS(on)可表示為通道、epi和襯底三個(gè)分量之和:
RDS(on) = Rch + Repi + Rsub
圖1:傳統(tǒng)平面式MOSFET結(jié)構(gòu)
圖2顯示平面式MOSFET情況下構(gòu)成RDS(on) 的各個(gè)分量。對(duì)于低壓MOSFET,三個(gè)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(duì)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(duì)漂移區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s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(jié)構(gòu),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(dǎo)通電阻也急劇的增大。導(dǎo)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(dǎo)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(shù)載流子導(dǎo)電,可以降低導(dǎo)通壓降,但是少數(shù)載流子的引入會(huì)降低工作的開關(guān)頻率,并產(chǎn)生關(guān)斷的電流拖尾,從而增加開關(guān)損耗。
超級(jí)結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)
高壓的功率MOSFET的外延層對(duì)總的導(dǎo)通電阻起主導(dǎo)作用,要想保證高壓的功率MOSFET具有足夠的擊穿電壓,同時(shí),降低導(dǎo)通電阻,最直觀的方法就是:在器件關(guān)斷時(shí),讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級(jí),同時(shí),在器件導(dǎo)通時(shí),形成一個(gè)高摻雜N+區(qū),作為功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電流通路,也就是將反向阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開,分別設(shè)計(jì)在不同的區(qū)域,就可以實(shí)現(xiàn)上述的要求。
基于超結(jié)SuperJunction的內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設(shè)計(jì)出的一種新型器件。內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖3所示。英飛凌最先將這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來,并為這種結(jié)構(gòu)的MOSFET設(shè)計(jì)了一種商標(biāo)CoolMOS,這種結(jié)構(gòu)從學(xué)術(shù)上來說,通常稱為超結(jié)型功率MOSFET。
圖3:內(nèi)建橫向電場(chǎng)的SuperJunction結(jié)構(gòu)
垂直導(dǎo)電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間,當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí),形成兩個(gè)反向偏置的PN結(jié):P和垂直導(dǎo)電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區(qū)不能形成反型層產(chǎn)生導(dǎo)電溝道,P和垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置,PN結(jié)耗盡層增大,并建立橫向水平電場(chǎng);同時(shí),P+和外延層N-形成PN結(jié)也是反向偏置形,產(chǎn)生寬的耗盡層,并建立垂直電場(chǎng)。由于垂直導(dǎo)電N+區(qū)摻雜濃度高于外延區(qū)N-的摻雜濃度,而且垂直導(dǎo)電N+區(qū)兩邊都產(chǎn)生橫向水平電場(chǎng),這樣垂直導(dǎo)電的N+區(qū)整個(gè)區(qū)域基本上全部都變成耗盡層,即由N+變?yōu)镹-,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(qū)與低摻雜外延層N-區(qū)的耐壓。
當(dāng)MOS導(dǎo)通時(shí),柵極和源極的電場(chǎng)將柵極下的P區(qū)反型,在柵極下面的P區(qū)產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道,同時(shí),源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進(jìn)入垂直的N+區(qū),中和N+區(qū)的正電荷空穴,從而恢復(fù)被耗盡的N+型特性,因此導(dǎo)電溝道形成,垂直N+區(qū)摻雜濃度高,具有較低的電阻率,因此導(dǎo)通電阻低。
比較平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)的功率MOSFET,可以發(fā)現(xiàn),超結(jié)型結(jié)構(gòu)實(shí)際是綜合了平面型和溝槽型結(jié)構(gòu)兩者的特點(diǎn),是在平面型結(jié)構(gòu)中開一個(gè)低阻抗電流通路的溝槽,因此具有平面型結(jié)構(gòu)的高耐壓和溝槽型結(jié)構(gòu)低電阻的特性。
內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓超結(jié)型結(jié)構(gòu)與平面型結(jié)構(gòu)相比較,同樣面積的硅片可以設(shè)計(jì)更低的導(dǎo)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(chǎn)工藝比較復(fù)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(duì)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(nèi)性能的一致性。
超結(jié)型結(jié)構(gòu)的工作原理
1、關(guān)斷狀態(tài)
從圖4中可以看到,垂直導(dǎo)電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間,當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí),也就是G極的電壓為0時(shí),橫向形成兩個(gè)反向偏置的PN結(jié):P和垂直導(dǎo)電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區(qū)不能形成反型層產(chǎn)生導(dǎo)電溝道,左邊P和中間垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置,右邊P和中間垂直導(dǎo)電N+形成PN結(jié)反向偏置,PN結(jié)耗盡層增大,并建立橫向水平電場(chǎng)。
當(dāng)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(dāng)于本征半導(dǎo)體,中間的橫向電場(chǎng)極高,只有外部電壓大于內(nèi)部的橫向電場(chǎng),才能將此區(qū)域擊穿,所以,這個(gè)區(qū)域的耐壓極高,遠(yuǎn)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(chǎng)及耗盡層
注意到,P+和外延層N-形成PN結(jié)也是反向偏置形,有利于產(chǎn)生更寬的耗盡層,增加垂直電場(chǎng)。
2、開通狀態(tài)
當(dāng)G極加上驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),在G極的表面將積累正電荷,同時(shí),吸引P區(qū)的電子到表面,將P區(qū)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(qiáng),進(jìn)一步吸引P區(qū)電子到表面,這樣,在G極下面的P型的溝道區(qū)中,積累負(fù)電荷,形成N型的反型層,同時(shí),由于更多負(fù)電荷在P型表面積累,一些負(fù)電荷將擴(kuò)散進(jìn)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(chǎng)也越來越小。G極的電壓進(jìn)一步提高,P區(qū)更寬范圍形成N型的反型層,最后,N+區(qū)域回到原來的高滲雜的狀態(tài),這樣,就形成的低導(dǎo)通電阻的電流路徑,如圖5(c)所示。
圖5:超結(jié)型導(dǎo)通過程
另外還有一種介于平面和超結(jié)型結(jié)構(gòu)中間的類型,是AOS開發(fā)的一種專利結(jié)構(gòu),雖然電流密度低于超結(jié)型,但抗大電流沖擊能力非常優(yōu)異。
圖6:介于平面和超結(jié)型結(jié)構(gòu)中間的類型
超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)是高壓MOSFET技術(shù)的重大發(fā)展并具有顯著優(yōu)點(diǎn),其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時(shí)得到降低。為充分利用這些快速和高效器件,設(shè)計(jì)工程師需要非常注意其系統(tǒng)設(shè)計(jì),特別是減小PCB寄生效應(yīng)。超結(jié)MOS管產(chǎn)品主要有以下幾種應(yīng)用:1)電腦、服務(wù)器的電源——更低的功率損耗;2)適配器(筆記本電腦,打印機(jī)等)——更輕、更便捷;3)照明(HID燈,工業(yè)照明,道路照明等)——更高的功率轉(zhuǎn)換效率;4)消費(fèi)類電子產(chǎn)品(液晶電視,等離子電視等)——更輕、更薄、更高能效。
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