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什么是cool mosfet-cool mosfet和其他MOS的區(qū)別與優(yōu)勢(shì)
  • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-08 16:39:33
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什么是cool mosfet-cool mosfet和其他MOS的區(qū)別與優(yōu)勢(shì)
cool mosfet介紹
什么是cool mosfet,對(duì)于常規(guī)VDMOS 器件結(jié)構(gòu), Rdson 與BV 這一對(duì)矛盾關(guān)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MOS 單體的損耗大小。
所以對(duì)于普通VDMOS,兩者矛盾不可調(diào)和,這就是常規(guī)VDMOS的局限性。但是對(duì)于COOLMOS,這個(gè)矛盾就不那么明顯了。通過(guò)設(shè)置一個(gè)深入EPI 的的P 區(qū),大大提高了BV,同時(shí)對(duì)Rdson 上不產(chǎn)生影響。對(duì)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(jié),對(duì)于一個(gè)PN 結(jié),耐壓時(shí)主要靠的是耗盡區(qū)承受,耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)大小、耗盡區(qū)擴(kuò)展的寬度的面積。
常規(guī)VDSMO,P body 濃度要大于N EPI,大家也應(yīng)該清楚,PN 結(jié)耗盡區(qū)主要向低參雜一側(cè)擴(kuò)散,所以此結(jié)構(gòu)下,P body 區(qū)域一側(cè),耗盡區(qū)擴(kuò)展很小,基本對(duì)承壓沒(méi)有多大貢獻(xiàn),承壓主要是P body--N EPI 在N 型的一側(cè)區(qū)域,這個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度是逐漸變化的,越是靠近PN 結(jié)面,電場(chǎng)強(qiáng)度E越大。
什么是cool mosfet
對(duì)于COOLMOS 結(jié)構(gòu),由于設(shè)置了相對(duì)P body 濃度低一些的P region 區(qū)域,所以P 區(qū)一側(cè)的耗盡區(qū)會(huì)大大擴(kuò)展,并且這個(gè)區(qū)域深入EPI 中,造成了PN 結(jié)兩側(cè)都能承受大的電壓,換句話說(shuō),就是把峰值電場(chǎng)Ec 由靠近器件表面,向器件內(nèi)部深入的區(qū)域移動(dòng)了。
什么是cool mosfet的結(jié)構(gòu)及P區(qū)制造方法
1、多次注入法
之所以采用多次注入,是由于P區(qū)需要深入到EPI中,且要均勻分布,一次注入即使能注入到這么深,在這個(gè)深度中的分布也不會(huì)均勻,所以要采用多次注入法,如下圖。
什么是cool mosfet
2、傾斜角度注入(STM技術(shù))
除了多次注入法,能保證在EPI中注入這么深,并且保證不同位置的濃度差異不大的方法還有 STM技術(shù)(Super trench MOSFET)。采用傾斜角度注入,實(shí)現(xiàn)Super junction的結(jié)構(gòu)(STM)。
什么是cool mosfet
STM結(jié)構(gòu)的3D示意圖
3、cool mosfet開(kāi)深溝槽后外延生長(zhǎng)填充形成P區(qū)
結(jié)構(gòu)中縱向P型區(qū)的形成方法,通過(guò)在N型外延上開(kāi)深溝槽,然后再利用外延工藝在溝槽內(nèi)生長(zhǎng)出P型單晶硅形成在N型外延上的P型區(qū)域,然后通過(guò)回刻工藝將槽內(nèi)生長(zhǎng)的P型外延單晶刻蝕到與溝槽表面平齊,以形成CoolMOS的縱向P型區(qū)域。該方法減少了工藝的復(fù)雜度和加工時(shí)間。
什么是cool mosfet-cool mosfet與其他MOSFET的區(qū)別
(1)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別
平面水平溝道的MOSFET的結(jié)構(gòu)如下圖所示。
什么是cool mosfet
平面水平溝道的MOSFET
它的源極S、漏極D和柵極G都處在硅單晶的同一側(cè),當(dāng)柵極處于適當(dāng)正電位時(shí),其二氧化硅層下面的晶體表面區(qū)由P型變?yōu)镹型(反型層),形成N型導(dǎo)電溝道。平面水平溝道的MOSFET在LSI(大規(guī)模集成電路)里得到了廣泛的應(yīng)用。MOSFET的理論里,要得到大的功率處理能力,要求有很高的溝道寬長(zhǎng)比W/L,而平面水平溝道的MOSFET的溝道長(zhǎng)L不能太小,因此只能增大芯片面積,這很不經(jīng)濟(jì)。所以其一直停留在幾十伏電壓,幾十毫安電流的水平。
平面水平溝道的MOSFET的大功率處理能力的低下促使了垂直導(dǎo)電型MOSFET(VMOSFET)的出現(xiàn),VMOSFET分為VVMOSFET和VDMOSFET兩種結(jié)構(gòu),比較常用的是VDMOSFET,其結(jié)構(gòu)如下兩個(gè)圖所示。
什么是cool mosfet
什么是cool mosfet
VVMOSFET結(jié)構(gòu)圖
什么是cool mosfet
VDMOSFET結(jié)構(gòu)圖
VVMOSFET是利用V型槽來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的,當(dāng)Vgs大于0時(shí),在V型槽外壁與硅表面接觸的地方形成一個(gè)電場(chǎng),P區(qū)和N+區(qū)域的電子受到吸引,當(dāng)Vgs足夠大時(shí),就會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道,使漏源極之間有電流流過(guò)。
VDMOSFET的柵極結(jié)構(gòu)為平面式,當(dāng)Vgs足夠大時(shí),兩個(gè)源極之間會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道,使漏源極之間有電流流過(guò)。
VDMOSFET比VVMOSFET更易獲得高的耐壓和極限頻率,因此在大功率場(chǎng)合得到更多應(yīng)用,我們?cè)谡髂K中常用的MOSFET都是VDMOSFET。
在高截止電壓的VDMOSFET中,通態(tài)電阻的95%由N-外延區(qū)的電阻決定。因此,為了降低通態(tài)電阻,人們想了種種辦法來(lái)降低N-外延區(qū)的電阻,有兩種方法得到應(yīng)用,這就是溝道式柵極MOSFET和Cool MOSFET,它們的結(jié)構(gòu)分別如下兩個(gè)圖所示。
什么是cool mosfet
溝道式柵極MOSFET結(jié)構(gòu)圖
溝道式柵極MOSFET是將VDMOSFET中的“T”導(dǎo)電通路縮短為兩條平行的垂直型導(dǎo)電通路,從而降低通態(tài)電阻。
什么是cool mosfet
Cool MOSFET結(jié)構(gòu)圖
Cool MOSFET則是兩個(gè)垂直P井條之間的垂直高摻雜N+擴(kuò)散區(qū)域?yàn)殡娮犹峁┝说妥柰?,從而降低通態(tài)電阻。較低濃度的兩個(gè)垂直P井條主要是為了耐壓而設(shè)計(jì)的。Cool MOSFET的通態(tài)電阻為普通的VDMOSFET的1/5,開(kāi)關(guān)損耗因此減為普通的VDMOSFET的1/2,但是Cool MOSFET固有的反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)特性不佳。
(2)主要電氣性能比較
Cool MOSFET和其他MOSFET種類繁多,為了能有一個(gè)直觀的印象,現(xiàn)對(duì)SPP20N60CFD(Cool MOSFET)、IRFP460LC、IRFPC60LC、IXFH40N50進(jìn)行主要電氣性能比較,見(jiàn)表1。
什么是cool mosfet
表1 SPP20N60CFD、IRFP460LC、IRFPC60LC、IXFH40N50主要電氣性能比較
從表1可以看出,Cool MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是:
1、通態(tài)電阻小,通態(tài)損耗小 
2、同等功率下封裝小,有利于電源小型化 
3、柵極開(kāi)啟電壓限高,抗干擾能力強(qiáng) 
4、柵極電荷小,驅(qū)動(dòng)功率小 
5、節(jié)電容小,開(kāi)關(guān)損耗小。
Cool MOSFET的缺點(diǎn)是:
1、熱阻大,同等耗散功率下溫升高 
2、能通過(guò)的直流電流和脈沖電流小。
(3)主要電氣性能差異的原因
Cool MOSFET和其他MOSFET主要電氣性能上的差異是由它們結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致的。
Cool-MOS的優(yōu)勢(shì)
什么是cool mosfet,cool mosfet的優(yōu)勢(shì)有哪些?
1.通態(tài)阻抗小,通態(tài)損耗小
由于SJ-MOS 的Rdson 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VDMOS,在系統(tǒng)電源類產(chǎn)品中SJ-MOS 的導(dǎo)通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)品上面的單體MOSFET 的導(dǎo)通損耗,提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的效率,SJ-MOS的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上,優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的尤為突出。
2.同等功率規(guī)格下封裝小,有利于功率密度的提高
首先,同等電流以及電壓規(guī)格條件下,SJ-MOS 的晶源面積要小于VDMOS 工藝的晶源面積,這樣作為MOS 的廠家,對(duì)于同一規(guī)格的產(chǎn)品,可以封裝出來(lái)體積相對(duì)較小的產(chǎn)品,有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高。
其次,由于SJ-MOS 的導(dǎo)通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗,因?yàn)檫@些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去,我們?cè)趯?shí)際中往往會(huì)增加散熱器來(lái)降低MOS 單體的溫升,使其保證在合適的溫度范圍內(nèi)。由于SJ-MOS 可以有效的減少發(fā)熱量,減小了散熱器的體積,對(duì)于一些功率稍低的電源,甚至使用SJ-MOS 后可以將散熱器徹底拿掉。有效的提高了系統(tǒng)電源類產(chǎn)品的功率密度。
3.柵電荷小,對(duì)電路的驅(qū)動(dòng)能力要求降低
傳統(tǒng)VDMOS 的柵電荷相對(duì)較大,我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到由于IC 的驅(qū)動(dòng)能力不足造成的溫升問(wèn)題,部分產(chǎn)品在電路設(shè)計(jì)中為了增加IC 的驅(qū)動(dòng)能力,確保MOSFET 的快速導(dǎo)通,我們不得不增加推挽或其它類型的驅(qū)動(dòng)電路,從而增加了電路的復(fù)雜性。SJ-MOS 的柵電容相對(duì)比較小,這樣就可以降低其對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求,提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。
4.節(jié)電容小,開(kāi)關(guān)速度加快,開(kāi)關(guān)損耗小
由于SJ-MOS 結(jié)構(gòu)的改變,其輸出的節(jié)電容也有較大的降低,從而降低了其導(dǎo)通及關(guān)斷過(guò)程中的損耗。同時(shí)由于SJ-MOS 柵電容也有了響應(yīng)的減小,電容充電時(shí)間變短,大大的提高了SJ-MOS 的開(kāi)關(guān)速度。對(duì)于頻率固定的電源來(lái)說(shuō),可以有效的降低其開(kāi)通及關(guān)斷損耗。提高整個(gè)電源系統(tǒng)的效率。這一點(diǎn)尤其在頻率相對(duì)較高的電源上,效果更加明顯。
cool mosfet系統(tǒng)應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題
1、紋波噪音差
由于SJ-MOS 擁有較高的dv/dt 和di/dt,必然會(huì)將MOSFET 的尖峰通過(guò)變壓器耦合到次級(jí),直接造成輸出的電壓及電流的紋波增加。甚至造成電容的溫升失效問(wèn)題的產(chǎn)生。
2、抗浪涌及耐壓能力差
由于SJ-MOS 的結(jié)構(gòu)原因,很多廠商的SJ-MOS 在實(shí)際應(yīng)用推廣替代VDMOS 的過(guò)程中,基本都出現(xiàn)過(guò)浪涌及耐壓測(cè)試不合格的情況。這種情況在通信電源及雷擊要求較高的電源產(chǎn)品上,表現(xiàn)的更為突出。這點(diǎn)必須引起我們的注意。
3、漏源極電壓尖峰比較大
尤其在反激的電路拓?fù)潆娫?,由于本身電路的原因,變壓器的漏感、散熱器接地、以及電源地線的處理等問(wèn)題,不可避免的要在MOSFET 上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓尖峰。針對(duì)這樣的問(wèn)題,反激電源大多選用RCD SUNBER 電路進(jìn)行吸收。由于SJ-MOS 擁有較快的開(kāi)關(guān)速度,勢(shì)必會(huì)造成更高的VDS 尖峰。如果反壓設(shè)計(jì)余量太小及漏感過(guò)大,更換SJ-MOS 后,極有可能出現(xiàn)VD 尖峰失效問(wèn)題。
4、EMI可能超標(biāo)
由于SJ-MOS 擁有較小的寄生電容,造就了超級(jí)結(jié)MOSFET 具有極快的開(kāi)關(guān)特性。因?yàn)檫@種快速開(kāi)關(guān)特性伴有極高的dv/dt 和di/dt,會(huì)通過(guò)器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開(kāi)關(guān)性能。對(duì)于在現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),使用了超級(jí)結(jié)MOSFET,EMI 干擾肯定會(huì)變大,對(duì)于本身設(shè)計(jì)余量比較小的電源板,在SJ-MOS 在替換VDMOS 的過(guò)程中肯定會(huì)出現(xiàn)EMI 超標(biāo)的情況。
5、柵極震蕩
功率MOSFET 的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴,由于超級(jí)結(jié)MOSFET 具有較高的開(kāi)關(guān)dv/dt。其震蕩現(xiàn)象會(huì)更加突出。這種震蕩在啟動(dòng)狀態(tài)、過(guò)載狀況和MOSFET 并聯(lián)工作時(shí),會(huì)發(fā)生嚴(yán)重問(wèn)題,導(dǎo)致MOSFET失效的可能。
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