三分鐘讀懂超級結MOSFET

基于超級結技術(shù)的功率MOSFET已成為高壓開(kāi)關(guān)轉換器領(lǐng)域的業(yè)界規范。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。在超級結MOSFET出現之前，高壓器件的主要設計平臺是基于平面技術(shù)。這個(gè)時(shí)候，有心急的網(wǎng)友就該問(wèn)了，超級結究竟是何種技術(shù)，區別于平面技術(shù)，它的優(yōu)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(jiǎn)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(shí)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(huì )增加開(kāi)關(guān)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(gè)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(gè)分量。對于低壓MOSFET，三個(gè)分量是相似的。但隨著(zhù)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(lái)的五倍以上。對于額定電壓為600V的MOSFET，超過(guò)95%的電阻來(lái)自外延層。顯然，要想顯著(zhù)減小RDS(on)的值，就需要找到一種對漂移區進(jìn)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(lái)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(cháng)，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(lèi)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(huì )降低工作的開(kāi)關(guān)頻率，并產(chǎn)生關(guān)斷的電流拖尾，從而增加開(kāi)關(guān)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(shí)，降低導通電阻，最直觀(guān)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，同時(shí)，在器件導通時(shí)，形成一個(gè)高摻雜N+區，作為功率MOSFET導通時(shí)的電流通路，也就是將反向阻斷電壓與導通電阻功能分開(kāi)，分別設計在不同的區域，就可以實(shí)現上述的要求。

基于超結SuperJunction的內建橫向電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎn)出來(lái)，并為這種結構的MOSFET設計了一種商標CoolMOS，這種結構從學(xué)術(shù)上來(lái)說(shuō)，通常稱(chēng)為超結型功率MOSFET。

圖3：內建橫向電場(chǎng)的SuperJunction結構

垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間，當MOS關(guān)斷時(shí)，形成兩個(gè)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(chǎn)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(chǎng);同時(shí)，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，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(chǎn)生橫向水平電場(chǎng)，這樣垂直導電的N+區整個(gè)區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+區與低摻雜外延層N-區的耐壓。

當MOS導通時(shí)，柵極和源極的電場(chǎng)將柵極下的P區反型，在柵極下面的P區產(chǎn)生N型導電溝道，同時(shí)，源極區的電子通過(guò)導電溝道進(jìn)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(fā)現，超結型結構實(shí)際是綜合了平面型和溝槽型結構兩者的特點(diǎn)，是在平面型結構中開(kāi)一個(gè)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(chǎng)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(kāi)出N+溝槽，它的生產(chǎn)工藝比較復雜，目前N+溝槽主要有兩種方法直接制作：通過(guò)一層一層的外延生長(cháng)得到N+溝槽和直接開(kāi)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(guān)斷狀態(tài)

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(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：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(chǎn)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(chǎng)。

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(méi)有自由電荷，相當于本征半導體，中間的橫向電場(chǎng)極高，只有外部電壓大于內部的橫向電場(chǎng)，才能將此區域擊穿，所以，這個(gè)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(lái)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(kāi)通狀態(tài)

當G極加上驅動(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(zhù)G極的電壓提高，柵極表面正電荷增強，進(jìn)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(shí)，由于更多負電荷在P型表面積累，一些負電荷將擴散進(jìn)入原來(lái)完全耗盡的垂直的 N+，橫向的耗盡層越來(lái)越減小，橫向的電場(chǎng)也越來(lái)越小。G極的電壓進(jìn)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(lái)的高滲雜的狀態(tài)，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(guò)程

另外還有一種介于平面和超結型結構中間的類(lèi)型，是AOS開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)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(yōu)異。

圖6：介于平面和超結型結構中間的類(lèi)型

超級結結構是高壓MOSFET技術(shù)的重大發(fā)展并具有顯著(zhù)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(chǎn)品主要有以下幾種應用：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)——更高的功率轉換效率;4)消費類(lèi)電子產(chǎn)品(液晶電視，等離子電視等)——更輕、更薄、更高能效。