【圖文詳解】超級結MOSFET結構、工作原理-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-03-04
（1）SJ-MOS在N層具有柱狀P層（P柱層）。P層和N層交替排列。（參見圖3-9（b））
（2）通過施加VDS，耗盡層在N層中擴展，但其在SJ-MOS中的擴展方式與在一般D-MOS中不同。（關于電場強度，參見圖3-9（a）／（b）。電場強度將表示耗盡層的狀態(tài)。
（3）如果是D-MOS的情況，電場強度在P／N層接口處最強。當電場強度超過硅的極限時，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象，這就是電壓極限。另一方面，如果是SJ-MOS的情況，電場強度在N層中是均勻的。
（4）所以，SJ-MOS可采用具有較低電阻的N層設計，以實現(xiàn)低導通電阻產品。
采用與DMOS相同尺寸的芯片，SJ-MOS可以實現(xiàn)更低的導通電阻。
圖3-9（a）D-MOS（π-MOS）的結構和電場
圖3-9（b）SJ-MOS（DTMOS）的結構和電場
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，降低導通電阻，最直觀的方法就是：在器件關斷時，讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級，同時，在器件導通時，形成一個高摻雜N+區(qū)，作為功率MOSFET導通時的電流通路，也就是將反向阻斷電壓與導通電阻功能分開，分別設計在不同的區(qū)域，就可以實現(xiàn)上述的要求。
基于超結SuperJunction的內建橫向電場的高壓功率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。Infineon最先將這種結構生產出來，并為這種結構的MOSFET設計了一種商標CoolMOS，這種結構從學術上來說，通常稱為超結型功率MOSFET。
圖3：內建橫向電場的SuperJunction結構
垂直導電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當MOS關斷時，形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區(qū)不能形成反型層產生導電溝道，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;同時，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，產生寬的耗盡層，并建立垂直電場。
由于垂直導電N+區(qū)摻雜濃度高于外延區(qū)N-的摻雜濃度，而且垂直導電N+區(qū)兩邊都產生橫向水平電場，這樣垂直導電的N+區(qū)整個區(qū)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(qū)與低摻雜外延層N-區(qū)的耐壓。
當MOS導通時，柵極和源極的電場將柵極下的P區(qū)反型，在柵極下面的P區(qū)產生N型導電溝道，同時，源極區(qū)的電子通過導電溝道進入垂直的N+區(qū)，中和N+區(qū)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(qū)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(xiàn)，超結型結構實際是綜合了平面型和溝槽型結構兩者的特點，是在平面型結構中開一個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。
由于要開出N+溝槽，它的生產工藝比較復雜，目前N+溝槽主要有兩種方法直接制作：通過一層一層的外延生長得到N+溝槽和直接開溝槽。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。
1、關斷狀態(tài)
從圖4中可以看到，垂直導電N+區(qū)夾在兩邊的P區(qū)中間，當MOS關斷時，也就是G極的電壓為0時，橫向形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。
柵極下面的的P區(qū)不能形成反型層產生導電溝道，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。
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+就沒有自由電荷，相當于本征半導體，中間的橫向電場極高，只有外部電壓大于內部的橫向電場，才能將此區(qū)域擊穿，所以，這個區(qū)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決定。
圖4：橫向電場及耗盡層
注意到，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，有利于產生更寬的耗盡層，增加垂直電場。
2、開通狀態(tài)
當G極加上驅動電壓時，在G極的表面將積累正電荷，同時，吸引P區(qū)的電子到表面，將P區(qū)表面空穴中和，在柵極下面形成耗盡層，如圖5示。
隨著G極的電壓提高，柵極表面正電荷增強，進一步吸引P區(qū)電子到表面，這樣，在G極下面的P型的溝道區(qū)中，積累負電荷，形成N型的反型層，同時，由于更多負電荷在P型表面積累，一些負電荷將擴散進入原來完全耗盡的垂直的 N+，橫向的耗盡層越來越減小，橫向的電場也越來越小。
G極的電壓進一步提高，P區(qū)更寬范圍形成N型的反型層，最后，N+區(qū)域回到原來的高滲雜的狀態(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：超結型導通過程
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