【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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