新型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1、新型高耐壓功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管摘要：分析了常規(guī)高壓MOSFET耐壓與導(dǎo)通電阻問的矛盾，介紹了內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓MOSFET結(jié)構(gòu)，分析了解決耐壓與導(dǎo)通電阻間矛盾的方法與原理，介紹并分析了具有代表性的新型高壓MOSFET主要特性。關(guān)鍵詞：內(nèi)建橫向電場(chǎng)；耗盡層；導(dǎo)通電阻；短路安全工作區(qū)1引言在功率半導(dǎo)體器件中，MOSFET其高開關(guān)速度，低開關(guān)損耗，低驅(qū)動(dòng)損耗等特點(diǎn)而在各種功率變換，特別是在高頻功率變換中扮演著主要角色。但隨著MOSg壓的提高，其導(dǎo)通電阻也隨之以2.42.6次幕增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速度使MOSFET造者和應(yīng)用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導(dǎo)通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高

2、壓MOSFET額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降仍居高不下，如表1所小。表1管芯面積相近，耐壓不同的MOSFET導(dǎo)通壓降和新型結(jié)構(gòu)MOSFET導(dǎo)通壓降型號(hào)VDSS/VID25C/AID100C/ARd(on25c/QRd(on150C/QVDS/V(ID=ID(100IRFBG30100031.12.051326IRFBF309003.62.33.79.6221.2IRFBE308004.12.63.07.6519.1IRFBC306003.62.32.25.7512.6IRF8305004.531.43.6410.9IRF7304005.53.51.02.68.5IRF6342508.15.

3、10.451.155.6IRF6302009.05.70.40.925.2IRF530N10017.0120.110.242.9IRFZ34E6028.0200.0420.0761.5IRF237043042.0310.01250.020.62SSP07N0602-f6007.34.60.61.326.07SSP06N80C80063.80.927.6IRFPS59N6CC60059370.0450.1264.66從表1中可以看到，耐壓500V以上的MOSFET額定結(jié)溫、額定電流條件下的導(dǎo)通壓降很高，耐壓800V以上的導(dǎo)通壓降高得驚人。由于導(dǎo)通損耗占了MOSFE總損耗的2/34/5,而使其應(yīng)用

4、受到了極大限制。2 降低高壓MOSFET通電阻的原理與方法2.1 不同耐壓的MOSFET導(dǎo)通電阻分布不同耐壓的MOSFET其導(dǎo)通電阻中各部分電阻所占比例也不同。如耐壓30V的MOSFET其外延層電阻僅占總導(dǎo)通電阻的29%;耐壓600V的MOSFET外延層電阻則占總導(dǎo)通電阻的965%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET導(dǎo)通電阻將幾乎被外延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規(guī)高壓MOSFET構(gòu)所導(dǎo)致的高導(dǎo)通電阻的根本原因。2.2 降低高壓MOSFET通電阻的思路增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是難于接受的。引入少數(shù)載流子導(dǎo)電雖能降低

5、導(dǎo)通壓降，但付出的代價(jià)卻是開關(guān)速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，失去了MOSFET開關(guān)速度的優(yōu)點(diǎn)。以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET導(dǎo)通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導(dǎo)電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如導(dǎo)通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對(duì)導(dǎo)通電阻只能起增大作用而無其它作用。這樣，是否可以將導(dǎo)電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現(xiàn)，而在MOSFET斷時(shí)，設(shè)法使這個(gè)通道以某種方式夾斷，使整個(gè)器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層?；谶@種思想1988年Infineon推出內(nèi)建橫向電場(chǎng)耐壓為600V的COOLMOS£這一想法得以實(shí)現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓MOSFET剖面

6、結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖1所示(a內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓MOSFEET面結(jié)構(gòu)(b垂直的N區(qū)被耗盡(c導(dǎo)電溝道形成后來自源極的電子將垂直的N區(qū)中正電荷中和并恢復(fù)N型特征圖1內(nèi)建橫向電場(chǎng)的MOSFET面，垂直N區(qū)被夾斷和導(dǎo)通與常規(guī)MOSFET構(gòu)不同，內(nèi)建橫向電場(chǎng)的MOSFET入了垂直P區(qū)，將垂直導(dǎo)電區(qū)域的N區(qū)夾在中間，使MOSFET斷時(shí)，垂直的P與N之間建立橫向電場(chǎng)，并且垂直導(dǎo)電區(qū)域的N摻雜濃度高于其外延區(qū)N的摻雜濃度。當(dāng)VGS時(shí)，由于被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道不能形成，并且D、S問加正電壓，使MOSFET內(nèi)部PN結(jié)反偏形成耗盡層，并將垂直導(dǎo)電的N區(qū)耗盡。這個(gè)耗盡層具有縱向高阻斷電壓

7、，如圖1(b所示。這時(shí)器件的耐壓取決于P與N的耐壓。因此N的低摻雜，高電阻率是必須的。當(dāng)VGS>Vth時(shí)，被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電荷道進(jìn)入被耗盡的垂直的N區(qū)中和正電荷，從而恢復(fù)被耗盡的N型特性，因此導(dǎo)電溝道形成。由于垂直N區(qū)具有較低的電阻率，因而導(dǎo)通電阻較常規(guī)MOSFET明顯降低。通過以上分析可以看到：阻斷電壓與導(dǎo)通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾，同時(shí)也將阻斷時(shí)的表面PN結(jié)轉(zhuǎn)化為掩埋PN結(jié)在相同的N-摻雜濃度時(shí)，阻斷電壓還可進(jìn)一步提高。3 內(nèi)建橫向電場(chǎng)MOSFET主要特性3.1 導(dǎo)通電阻的降低Infi

8、neon的內(nèi)建橫向電場(chǎng)的MOSFET耐壓600V和800V與常規(guī)MOSFET件相比，相同的管芯面積，導(dǎo)通電阻分別下降到常規(guī)MOSFET1/5和1/10;相同的額定電流，導(dǎo)通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結(jié)溫、額定電流條件下，導(dǎo)通壓降分別從12.6V,19.1V下降至ij6.07V和7.5V;導(dǎo)通損耗下降到常規(guī)MOSFET1/2和1/3。由于導(dǎo)通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對(duì)較涼，故稱COOLMOS3.2 封裝的減小和熱阻的降低相同額定電流的COOLMOS管芯較常規(guī)MOSFET小至IJ1/3和1/4,使封裝減小兩個(gè)管殼規(guī)格，如表2所示。表2封裝與額定電流電壓型號(hào)STO223SPAKIPA

9、KD2PAKTO220TO247COOLMOS3600V4.5A0.95600V7.3A0.6Q600V20A0.19Q600V47A0.07Q800V6A0.9Q800V17A0.29Q常規(guī)MOSFET600V2A4.4Q600V10A0.75Q600V17A0.4Q由于COOLMCS芯厚度僅為常規(guī)MOSFET1/3,使TO-220封裝RthJC從常規(guī)1C/W降到0.6C/W,管芯散熱能力的提高,使得額定功率從125WE升到208W3.3 開關(guān)特性的改善COOLMOS柵極電荷與開關(guān)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET如表3所示。表3COOLMOS常規(guī)MOSFET柵極電荷與開關(guān)參數(shù)3.4抗雪崩擊穿能力與

10、SCSOA型號(hào)Qg/nCQgs/nCQgd/nCCss/pFCoss/pFCrss/pFTf/nsCOOLMOSSPB07N60C2357.516.510363701010常規(guī)600V62A608.33014001607.020常規(guī)低電荷600V,62A42102013001603018很明顯，由于Qg特別是Qgd的減少，使COOLMOS開關(guān)時(shí)間約為常規(guī)MOSFET1/2;開關(guān)損耗降低約50%。關(guān)斷時(shí)間的下降也與COOLMOS部低柵極電阻（1Q）有關(guān)。目前，新型的MOSFET一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流下，coolmOSias與ID25相同。但由于

11、管芯面積的減小，IAS小于常規(guī)MOSFET而具有相同管芯面積時(shí)，IAS和EAS則均大于常規(guī)MOSFETCOOLMOS最大特點(diǎn)之一就是它具有短路安全工作區(qū)（SCSOA,而常規(guī)MOSf具備這個(gè)特性。COOLMOSSSCSOAJ主要原因是其轉(zhuǎn)移特性的變化。COOLMOS專移特性，如圖2所示。從圖2可以看到，當(dāng)VGS>12閃，COOLMOS漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結(jié)溫升高時(shí)，恒流值下降，VG他下降。在最高結(jié)溫時(shí)，約為ID25的2倍，即正常工作電流的33.5倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會(huì)因柵極的15V驅(qū)動(dòng)電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25,使COOLMOS短路時(shí)所耗散的功率限制在

12、350VX2ID25«350VX10ID25,盡可能地減少了短路時(shí)管芯的發(fā)熱；管芯熱阻降低，可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因此，COOLMOS在正常柵極電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，在0.6VDSS電源電壓下承受10pS短路沖擊，時(shí)間間隔大于1s,連續(xù)1000次不損壞，從而COOLMOS以像IGBT一樣，在短路時(shí)得到有效的保護(hù)。16圖2COOLMOS移特性4 關(guān)于內(nèi)建橫向電場(chǎng)高壓MOSFET展現(xiàn)狀繼1988年Infineon推出COOLMOS,2000年初ST推出500V類似于COOLMOS內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使500M12A的MOSFET封裝在TO220管殼內(nèi)，其導(dǎo)通電阻為03

13、5Q,低于IRFP450的04Q,額定電流與IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS術(shù)的MOSFETIR也推出了Supper220、Supper247封裝的超級(jí)MOSFET額定電流分別為35A及59A,導(dǎo)通電阻分別為0.082Q、0.045Q,150c時(shí)導(dǎo)通壓降約47V,綜合指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET因此，可以認(rèn)為以上的MOSFET定存在類似于橫向電場(chǎng)的特殊結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，設(shè)法降低高壓MOSFET導(dǎo)通壓降已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并且必交推動(dòng)高壓MOSFET應(yīng)用。COOLMOSIGBT的比較耐壓600V、800V的COOLMOS高溫導(dǎo)通壓降分別約6、7.5V,關(guān)斷損耗降低1/2,總損耗降低1/2

14、以上，使總損耗為常規(guī)MOSFET40%50%。常規(guī)耐壓600V的MOSFET導(dǎo)通損耗占總損耗約75%,對(duì)應(yīng)相同總損耗超高速IGBT的平衡點(diǎn)達(dá)160kHz,其中開關(guān)損耗占約75%。由于COOLMOS總損耗降到常規(guī)MOSFET40%50%,對(duì)應(yīng)的IGBT損耗平衡頻率將由160kHz降至U約40kHz,增加了MOSFET高壓中的應(yīng)用。6結(jié)論新型高壓MOSFET問世使長(zhǎng)期困擾高壓MOSFET導(dǎo)通壓降高的問題得到了解決。應(yīng)用它可簡(jiǎn)化整機(jī)設(shè)計(jì)：如散熱器體積可減少到常規(guī)的40%左右；驅(qū)動(dòng)電路，緩沖電路亦可簡(jiǎn)化；由于它具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力，從而簡(jiǎn)化了保護(hù)電路并使整機(jī)可靠性得以提高。型號(hào)耐壓（V電流（

15、A功率（W型號(hào)耐壓（V電流（A功率（W2SK53480051002SK104590051502SK53890031002SK108180071252SK557500121002SK108280061252SK560500151002SK1119100041002SK56550091252SK1120100081502SK5668003782SK11988003752SK644500101252SK1249500151302SK71990051202SK1250500201502SK725500151252SK1271140052402SK72790051252SK1280500181502SK

16、774500181202SK134190051002SK78790081502SK135790051252SK788500131502SK135890091502SK790500151502SK145190051202SK95580091502SK1498500201202SK96290081502SK1500500251602SK1019500303002SK150290071202SK1020500303002SK1512850101502SK153150015150IRFP150100411802SRFK153990010150IRFP

17、240200311502SK156350012150IRFP250200311802SK16499006100IRFP251150331802SRFP254250231802SK20389006125IRFP35040016180IRF35050013150IRFP35135016180IRF36040025300IRFP36040023250IRF4405008125IRFP45050014180IRF45050013150IRFP45145014180IRF45145013150IRFP45250012180IRF46050021300IRFP4605002025

18、0IRF74040010125MTH8N505008120IRF8205002.550MTH8N606008120IRF8405008125MTH12N5050012120IRF8414508125H12N4545012120IRF8425007125H13N5050013150MTH14N5050014150MTP5N45450575MTH20N2020020120MTP5N50500575MTH25N2020025150MTP6N606006125MTH30N1010030120IXGH10N100100010100MTH35N1515035150IXGH15N100100015150MTH40N1010040150IXGH20N6060020150MTM6N808006120IXGH25N100100025200MTM6N909006150GH30N6060030180MTM8N505008100GH30N100100030250MTM8N909008150GH40N60600