COOLMOS(超結MOS)
超結金氧半場效晶體管(Super Junction Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,SJ MOSFET)
SJ MOSFET的技術主要有兩種,其一為由英飛凌(Infineon)開發(fā)的多磊晶技術,藉由摻雜(doping)磊晶在磊晶層上形成島狀的摻雜區(qū)域,使該區(qū)域擴散形成一個氮摻雜(N-doped)平面。
另一種技術則采用深反應離子蝕刻挖出溝槽狀結構,再將氮摻雜材料填補于溝槽,制造出超接面的結構,開發(fā)此科技的業(yè)者主要為東芝(Toshiba),快捷半導體(Fairchild Semiconductor) 及艾斯摩斯科技(IceMOS Technology)。
VDMOS與VDMOS的結構差異
為了克服傳統(tǒng)MOS導通電阻與擊穿電壓之間的矛盾,一些人在VDMOS基礎上提出了一種新型的理想器件結構,既我們所說的超結MOS,超結MOS的結構如圖2所示,其由一些列的P型和N型半導體薄層交替排列組成。
在截止態(tài)時,由于P型和N型層中的耗盡區(qū)電場產生相互補償效應,使P型和N型層的摻雜濃度可以做的很高而不會引起器件擊穿電壓的下降。
導通時,這種高濃度的摻雜可以使其導通電阻顯著下降,大約有兩個數量級。因為這種特殊的結構,使得超結MOS的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的VDMOS。
如下表中芯派電子的超結MOS與平面MOS部分參數比對可知,超結MOS器件參數優(yōu)于平面MOS。
對于常規(guī)VDMOS器件結構, Rdson與BV這一對矛盾關系,要想提高BV,都是從減小EPI參雜濃度著手,但是外延層又是正向電流流通的通道,EPI參雜濃度減小了,電阻必然變大,Rdson就大了。
Rdson直接決定著MOSFET單體的損耗大小。所以對于普通VDMOS,兩者矛盾不可調和,這就是常規(guī)VDMOS的局限性。 但是對于超結MOS,這個矛盾就不那么明顯了。
通過設置一個深入EPI的的P區(qū),大大提高了BV,同時對Rdson上不產生影響。
對于常規(guī)VDMOS,反向耐壓,主要靠的是N型EPI與body區(qū)界面的PN結,對于一個PN結,耐壓時主要靠的是耗盡區(qū)承受,耗盡區(qū)內的電場大小、耗盡區(qū)擴展的寬度的面積。
常規(guī)VDSMO,P body濃度要大于N EPI,大家也應該清楚,PN結耗盡區(qū)主要向低參雜一側擴散,所以此結構下,P body區(qū)域一側,耗盡區(qū)擴展很小,基本對承壓沒有多大貢獻,承壓主要是P body--N EPI在N型的一側區(qū)域,這個區(qū)域的電場強度是逐漸變化的,越是靠近PN結面,電場強度E越大。
對于COOLMOS結構,由于設置了相對P body濃度低一些的P region區(qū)域,所以P區(qū)一側的耗盡區(qū)會大大擴展,并且這個區(qū)域深入EPI中,造成了PN結兩側都能承受大的電壓,換句話說,就是把峰值電場Ec由靠近器件表面,向器件內部深入的區(qū)域移動了。
在原先傳統(tǒng)LDMOS的漂移區(qū)中,通過pn交替的結構來代替單一淡濃度摻雜的漂移區(qū),LDMOS的漏端為高濃度摻雜的n+區(qū)域,它直接連接到pn交替的漂移區(qū)。
為了克服傳統(tǒng)MOS導通電阻與擊穿電壓之間的矛盾,一些人在VDMOS基礎上提出了一種新型的理想器件結構,既我們所說的超結MOS coolmos實現的工藝有很多種,可以采用DT 填充P型-EPI或者多次注入。
一般我們選擇一顆MOS 大致看以下幾個參數 BV Id Rds Vth Qg Pd等。
但是這幾個參數,只有Qg和Id是交流參數,其他都是靜態(tài)參數。而半導體這東西就是隨溫升變壞的。那動態(tài)參數,其實是變壞的。
25度的電流是100A,也許125度的時候,電流只有50A,所以選型的時候要以高溫下(老化房)的數據為準。那選好了電壓、電流,剩下就是看Coolmos的損耗了。
Coolmos露在表面的是Rdson 較低,只有平面管的1/3或者1/4,那MOS的導通損耗必然較之平面管要低不少。
MOS的另外一個損耗,開關損耗其實往往更加占主導。開關損耗在MOS里最直接體現的數值是Trr。這也是Coolmos最核心的參數。從coolmos的發(fā)展來看 C3 C6 CP CFD CFD2 都是在Trr上下功夫(C6除外,他是C3的Cost down)。
Coolmos在實際應用中,MOS前段的Rg驅動,一般對電阻要求會低很多。這也能降低損耗。
舉個例子,20N60C3 MOS前段的驅動電阻一般可做到15mohm以下,但是也不是越低越好,開關越高,EMI的問題就出來了。所以驅動電阻的選擇要綜合考慮,在EMI允許的情況下,盡量降低驅動電阻。
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