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功率MOSFET與超級結MOSFET原理介紹

金屬-氧化層-半導體場效應晶體管(MOSFET)是集成電路設計中的基本單元,它的電路符號和器件結構如圖1所示。典型n溝道MOS器件具有4個電極,并連接不同的電壓偏置。一般情況下源極和襯底極接低電位,比如接地。不工作時器件處于截止狀態,此時器件的源極和漏極之間沒有導電通道,相當于開關的斷開狀態。當柵極加上一個大于Vgs(th) 的正電壓后,柵極氧化層下方的p型襯底表面會產生反型層, 即導通溝道。溝道連通了器件源極和漏極,此時NMOS相應的處于了導通狀態。柵極電壓越高,導通越充分。

 

 

中高壓功率MOSFET通常采用垂直溝道結構,如圖2所示,器件的漏極在芯片底部,源極在芯片頂部,整個器件呈垂直結構放置。這種結構被稱為Vertical Double-diffusion MOS (VDMOS)。從結構上看VDMOS的漏極從原來的表面位置移到了器件的底部,漏極電流也相應從器件的底部流到器件的表面,變成了垂直型器件。漏極電流與溝道之間的區域是漂移區,是高壓功率器件用來耐壓的主要部分。漂移區越厚且漂移區電阻率越低,則耐壓越高,而與此同時器件的導通電阻相應的也就越高。這是因為VDMOS的Rdson 與BVdss的2~2.5次方成正比。即公式1:

 

Rdson = a* BV2~2.5

 

超級結MOSFET可以打破這個限制,其基本結構如圖3所示。它和VDMOS相比大的區別就是在p-body下方加入了p柱,使漂移區中出現了交替的pn結結構。利用相鄰的pn柱之間相互耗盡的原理,將漂移區的濃度可以提升,使得器件導通時電阻率降低。而在關態時,p柱和n柱之間可以相互耗盡,使耗盡區盡量擴大,維持了較高的耐壓,由此打破了公式1的硅極限,使導通電阻與擊穿電壓達到近似線性的關系,顯著提高了器件性能。

 


圖3 SJ VDMOS示意圖


相對于普通VDMOS器件,超級結功率器件的速度更快,FOM更低,但是也會帶來其他的一些負面問題,比如高di/dt & dv/dt造成的柵極振蕩及EMI問題。因此,超級結的設計十分講究,設計不當則容易導致芯片的震蕩而使器件出現EMI超標的問題。

GreenMOS 特點介紹

GreenMOS系列產品是東微半導體推出的一種新型超級結(Super-Junction)功率器件。Green即“綠色”之意,意喻GreenMOS自身為高品質的“綠色”產品,采用GreenMOS可以實現綠色設計并獲得綠色能源產品。 GreenMOS系列產品額定電壓范圍為500~800V,覆蓋了小1A至大76A以及不同封裝類型的總共近百種芯片規格。由于采用了東微半導體的多項自主專利技術,GreenMOS系列產品成功克服了常規超級結所存在的低成品率、EMI超標等難題,性能達到甚至超過了國際一流品牌的水平,大幅領先于一般功率器件供應商。相對于其他公司的超級結器件,東微半導體的GreenMOS具有“快而不震”的優點,其顯著特點如下所述:

 

1. Soft-Switching (軟開關)

GreenMOS對常規超級結功率器件的制造流程進行了多項優化設計,使器件內部的雜質分布及電容更適合于外部電路的高速開關動作,減小了紋波噪音和電壓尖峰,由此所得到的開關波形更加平滑,開關期間的柵極震蕩更低,有利于EMI的改善。

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圖4 常規超級結MOS與GreenMOS開關過程比較

 

2. LOW FOM (低優值)

FOM(Figure of merit)是衡量功率器件設計優劣的重要標準,計算公式為Rdson*Qg,FOM越小表明器件的性能越佳。GreenMOS系列優化了器件的制造流程和設計,一方面通過獨特的設計方法降低了Qg,另一方面在保持Low Qg的同時通過優化器件制造流程使得器件的比導通電阻更小,從而降低了GreenMOS的開態電阻。這兩方面相輔相成使GreenMOS具備了業內領先的FOM值,其優秀的FOM特性使GreenMOS的動態損耗可降低到常規超級結器件的2/3,同時也支持2MHz的開關頻率。開關速度甚至接近了高端的第三代半導體器件 - 高壓GaN功率器件。

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圖5 GreenMOS高達2MHz高頻開關特性

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