Cool-MOS原理、結(jié)構(gòu)、制造方法概述及Cool-MOS的優(yōu)勢與問題-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2019-04-29
對于常規(guī)VDMOS器件結(jié)構(gòu), Rdson與BV存在矛盾關(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增大。所以對于普通VDMOS,兩者矛盾不可調(diào)和。
但是對于COOLMOS,這個矛盾就不那么明顯了。通過設(shè)置一個深入EPI的的P區(qū),大大提高了BV,同時對Rdson上不產(chǎn)生影響。為什么有了這個深入襯底的P區(qū),就能大大提高耐壓呢?
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(jié),對于一個PN結(jié),耐壓時主要靠的是耗盡區(qū)承受,耗盡區(qū)內(nèi)的電場大小、耗盡區(qū)擴展的寬度的面積,也就是下圖中的淺綠色部分,就是承受電壓的大小。常規(guī)VDMOS,P body濃度要大于N EPI, PN結(jié)耗盡區(qū)主要向低參雜一側(cè)擴散,所以此結(jié)構(gòu)下,P body區(qū)域一側(cè),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(cè)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(jié)面(a圖的A結(jié)),電場強度E越大。所以形成的淺綠色面積有呈現(xiàn)梯形。
但是對于COOLMOS結(jié)構(gòu),由于設(shè)置了相對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)會大大擴展,并且這個區(qū)域深入EPI中,造成了PN結(jié)(b圖的A結(jié))兩側(cè)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(nèi)部深入的區(qū)域移動了。形成的耐壓(圖中淺綠色的面積)就大了。當(dāng)COOLMOS正向?qū)〞r,正向電流流通的路徑,并沒有因為設(shè)置了P region而受到影響。
圖1 CoolMos與普通VDMOS的差異
圖2 CoolMos與普通VDMOS相比BV和Rdson的優(yōu)勢
1、多次注入法
英飛凌采用多次注入法形成的結(jié)構(gòu),如圖3所示。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,在這個深度中的分布也不會均勻,所以要采用多次注入法。
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,實現(xiàn)Super junction的結(jié)構(gòu)(STM)。
3、開深溝槽后外延生長填充形成P區(qū)
上海華虹NEC電子有限公司的專利:本發(fā)明公開了一種CoolMOS結(jié)構(gòu)中縱向P型區(qū)的形成方法,通過在N型外延上開深溝槽,然后再利用外延工藝在溝槽內(nèi)生長出P型單晶硅形成在N型外延上的P型區(qū)域,然后通過回刻工藝將槽內(nèi)生長的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)雜度和加工時間。
1.通態(tài)阻抗小,通態(tài)損耗小。
由于SJ-MOS 的Rdson 遠遠低于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的這個優(yōu)點在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上,優(yōu)勢表現(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,對于同一規(guī)格的產(chǎn)品,可以封裝出來體積相對較小的產(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,因為這些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去,我們在實際中往往會增加散熱器來降低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,對電路的驅(qū)動能力要求降低。
傳統(tǒng)VDMOS 的柵電荷相對較大,我們在實際應(yīng)用中經(jīng)常會遇到由于IC 的驅(qū)動能力不足造成的溫升問題,部分產(chǎn)品在電路設(shè)計中為了增加IC 的驅(qū)動能力,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)動電路,從而增加了電路的復(fù)雜性。SJ-MOS 的柵電容相對比較小,這樣就可以降低其對驅(qū)動能力的要求,提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。
4.節(jié)電容小,開關(guān)速度加快,開關(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)斷過程中的損耗。同時由于SJ-MOS 柵電容也有了響應(yīng)的減小,電容充電時間變短,大大的提高了SJ-MOS 的開關(guān)速度。對于頻率固定的電源來說,可以有效的降低其開通及關(guān)斷損耗。提高整個電源系統(tǒng)的效率。這一點尤其在頻率相對較高的電源上,效果更加明顯。
1.EMI 可能超標(biāo)。
由于SJ-MOS 擁有較小的寄生電容,造就了超級結(jié)MOSFET 具有極快的開關(guān)特性。因為這種快速開關(guān)特性伴有極高的dv/dt 和di/dt,會通過器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開關(guān)性能。對于在現(xiàn)代高頻開關(guān)電源來說,使用了超級結(jié)MOSFET,EMI 干擾肯定會變大,對于本身設(shè)計余量比較小的電源板,在SJ-MOS 在替換VDMOS 的過程中肯定會出現(xiàn)EMI 超標(biāo)的情況。
2.柵極震蕩。
功率MOSFET 的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴,由于超級結(jié)MOSFET 具有較高的開關(guān)dv/dt。其震蕩現(xiàn)象會更加突出。這種震蕩在啟動狀態(tài)、過載狀況和MOSFET 并聯(lián)工作時,會發(fā)生嚴(yán)重問題,導(dǎo)致MOSFET 失效的可能。
3.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 在實際應(yīng)用推廣替代VDMOS 的過程中,基本都出現(xiàn)過浪涌及耐壓測試不合格的情況。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。這點必須引起我們的注意。
4.漏源極電壓尖峰比較大。
尤其在反激的電路拓撲電源,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題,不可避免的要在MOSFET 上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓尖峰。針對這樣的問題,反激電源大多選用RCD SUNBER 電路進行吸收。由于SJ-MOS 擁有較快的開關(guān)速度,勢必會造成更高的VDS 尖峰。如果反壓設(shè)計余量太小及漏感過大,更換SJ-MOS 后,極有可能出現(xiàn)VD 尖峰失效問題。
5.紋波噪音差。
由于SJ-MOS 擁有較高的dv/dt 和di/dt,必然會將MOSFET 的尖峰通過變壓器耦合到次級,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題的產(chǎn)生。
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