什么是cool mosfet-cool mosfet與其他MOSFET的區(qū)別及優(yōu)勢(shì)等詳解

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。

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。

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）。

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。

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。

VVMOSFET結(jié)構(gòu)圖

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。

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。

 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。

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)潆娫矗捎诒旧黼娐返脑?，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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