COOLMOS(超结MOS)
超结金氧半场效晶体管(Super Junction Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,SJ MOSFET)
SJ MOSFET的技术主要有两种,其一为由英飞凌(Infineon)开发的多磊晶技术,藉由掺杂(doping)磊晶在磊晶层上形成岛状的掺杂区域,使该区域扩散形成一个氮掺杂(N-doped)平面。
另一种技术则采用深反应离子蚀刻挖出沟槽状结构,再将氮掺杂材料填补于沟槽,制造出超接面的结构,开发此科技的业者主要为东芝(Toshiba),快捷半导体(Fairchild Semiconductor) 及艾斯摩斯科技(IceMOS Technology)。
VDMOS与VDMOS的结构差异
为了克服传统MOS导通电阻与击穿电压之间的矛盾,一些人在VDMOS基础上提出了一种新型的理想器件结构,既我们所说的超结MOS,超结MOS的结构如图2所示,其由一些列的P型和N型半导体薄层交替排列组成。
在截止态时,由于P型和N型层中的耗尽区电场产生相互补偿效应,使P型和N型层的掺杂浓度可以做的很高而不会引起器件击穿电压的下降。
导通时,这种高浓度的掺杂可以使其导通电阻显著下降,大约有两个数量级。因为这种特殊的结构,使得超结MOS的性能优于传统的VDMOS。
如下表中芯派电子的超结MOS与平面MOS部分参数比对可知,超结MOS器件参数优于平面MOS。
对于常规VDMOS器件结构, Rdson与BV这一对矛盾关系,要想提高BV,都是从减小EPI参杂浓度着手,但是外延层又是正向电流流通的通道,EPI参杂浓度减小了,电阻必然变大,Rdson就大了。
Rdson直接决定着MOSFET单体的损耗大小。所以对于普通VDMOS,两者矛盾不可调和,这就是常规VDMOS的局限性。 但是对于超结MOS,这个矛盾就不那么明显了。
通过设置一个深入EPI的的P区,大大提高了BV,同时对Rdson上不产生影响。
对于常规VDMOS,反向耐压,主要靠的是N型EPI与body区界面的PN结,对于一个PN结,耐压时主要靠的是耗尽区承受,耗尽区内的电场大小、耗尽区扩展的宽度的面积。
常规VDSMO,P body浓度要大于N EPI,大家也应该清楚,PN结耗尽区主要向低参杂一侧扩散,所以此结构下,P body区域一侧,耗尽区扩展很小,基本对承压没有多大贡献,承压主要是P body--N EPI在N型的一侧区域,这个区域的电场强度是逐渐变化的,越是靠近PN结面,电场强度E越大。
对于COOLMOS结构,由于设置了相对P body浓度低一些的P region区域,所以P区一侧的耗尽区会大大扩展,并且这个区域深入EPI中,造成了PN结两侧都能承受大的电压,换句话说,就是把峰值电场Ec由靠近器件表面,向器件内部深入的区域移动了。
在原先传统LDMOS的漂移区中,通过pn交替的结构来代替单一淡浓度掺杂的漂移区,LDMOS的漏端为高浓度掺杂的n+区域,它直接连接到pn交替的漂移区。
为了克服传统MOS导通电阻与击穿电压之间的矛盾,一些人在VDMOS基础上提出了一种新型的理想器件结构,既我们所说的超结MOS coolmos实现的工艺有很多种,可以采用DT 填充P型-EPI或者多次注入。
一般我们选择一颗MOS 大致看以下几个参数 BV Id Rds Vth Qg Pd等。
但是这几个参数,只有Qg和Id是交流参数,其他都是静态参数。而半导体这东西就是随温升变坏的。那动态参数,其实是变坏的。
25度的电流是100A,也许125度的时候,电流只有50A,所以选型的时候要以高温下(老化房)的数据为准。那选好了电压、电流,剩下就是看Coolmos的损耗了。
Coolmos露在表面的是Rdson 较低,只有平面管的1/3或者1/4,那MOS的导通损耗必然较之平面管要低不少。
MOS的另外一个损耗,开关损耗其实往往更加占主导。开关损耗在MOS里最直接体现的数值是Trr。这也是Coolmos最核心的参数。从coolmos的发展来看 C3 C6 CP CFD CFD2 都是在Trr上下功夫(C6除外,他是C3的Cost down)。
Coolmos在实际应用中,MOS前段的Rg驱动,一般对电阻要求会低很多。这也能降低损耗。
举个例子,20N60C3 MOS前段的驱动电阻一般可做到15mohm以下,但是也不是越低越好,开关越高,EMI的问题就出来了。所以驱动电阻的选择要综合考虑,在EMI允许的情况下,尽量降低驱动电阻。
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