新型高耐壓功率場效應晶體管
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摘要：分析了常規(guī)高壓MOSFET的耐壓與導通電阻間的矛盾，介紹了內建橫向電場的高壓MOSFET的結構，分析了解決耐壓與導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的主要特性。
關鍵詞：內建橫向電場；耗盡層；導通電阻；短路安全工作區(qū)
New Type of High Voltage MOSFET
CHEN Yong-zhen
Abstract:The contradiction between withstand voltage and on resistance of high voltage MOSFET is analyzed,Its struction with horizontal orientation electric field is introduced,the method and priciple of resolving the contradiction between withstand voltage and on resistance are construed and the main characterics of this new type of high power MOSFET with representativeness are presented.
Keywords:Horizontal orientation electric field; Exhausted layer; On resistance; SCSOA
1 引言
在功率半導體器件中，MOSFET以其高開關速度，低開關損耗，低驅動損耗等特點而在各種功率變換，特別是在高頻功率變換中扮演著主要角色。但隨著MOS耐壓的提高，其導通電阻也隨之以2.4～2.6次冪增長，其增長速度使MOSFET制造者和應用者不得不以數十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產生的導通壓降仍居高不下，如表1所示。
表1管芯面積相近，耐壓不同的MOSFET的導通壓降和新型結構MOSFET的導通壓降
| 型號 | VDSS/V | ID25℃/A | ID100℃/A | Rd(on)25℃/Ω | Rd(on)150℃/Ω | VDS/V(ID=ID(100)) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IRFBG30 | 1000 | 3.1 | 2.0 | 5 | 13 | 26 |
| IRFBF30 | 900 | 3.6 | 2.3 | 3.7 | 9.62 | 21.2 |
| IRFBE30 | 800 | 4.1 | 2.6 | 3.0 | 7.65 | 19.1 |
| IRFBC30 | 600 | 3.6 | 2.3 | 2.2 | 5.75 | 12.6 |
| IRF830 | 500 | 4.5 | 3 | 1.4 | 3.64 | 10.9 |
| IRF730 | 400 | 5.5 | 3.5 | 1.0 | 2.6 | 8.5 |
| IRF634 | 250 | 8.1 | 5.1 | 0.45 | 1.15 | 5.6 |
| IRF630 | 200 | 9.0 | 5.7 | 0.4 | 0.92 | 5.2 |
| IRF530N | 100 | 17.0 | 12 | 0.11 | 0.24 | 2.9 |
| IRFZ34E | 60 | 28.0 | 20 | 0.042 | 0.076 | 1.5 |
| IRF23704 | 30 | 42.0 | 31 | 0.0125 | 0.02 | 0.62 |
| SSP07N060C2 | 600 | 7.3 | 4.6 | 0.6 | 1.32 | 6.07 |
| SSP06N80C2 | 800 | 6 | 3.8 | 0.9 | 2 | 7.6 |
| IRFPS59N60C | 600 | 59 | 37 | 0.045 | 0.126 | 4.66 |
從表1中可以看到，耐壓500V以上的MOSFET在額定結溫、額定電流條件下的導通壓降很高，耐壓800V以上的導通壓降高得驚人。由于導通損耗占了MOSFET總損耗的2/3～4/5，而使其應用受到了極大限制。
2 降低高壓MOSFET導通電阻的原理與方法
2.1 不同耐壓的MOSFET的導通電阻分布
不同耐壓的MOSFET，其導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通電阻的29％；耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則占總導通電阻的96?5％。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導通電阻將幾乎被外延層電阻占據。
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結構所導致的高導通電阻的根本原因。
2.2 降低高壓MOSFET導通電阻的思路
增加管芯面積雖能降低導通電阻，但成本的提高所付出的代價是難于接受的。
引入少數載流子導電雖能降低導通壓降，但付出的代價卻是開關速度的降低并出現拖尾電流，導致開關損耗增加，失去了MOSFET高開關速度的優(yōu)點。
以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導通電阻，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)域和導電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如導通時低摻雜的高耐壓外延層對導通電阻只能起增大作用而無其它作用。這樣，是否可以將導電通道以高摻雜較低電阻率實現，而在MOSFET關斷時，設法使這個通道以某種方式夾斷，使整個器件耐壓僅取決于低摻雜的N－外延層。基于這種思想1988年Infineon推出內建橫向電場耐壓為600V的COOLMOS，使這一想法得以實現。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1所示。
(a) 內建橫向電場的高壓MOSFEET剖面結構
(b) 垂直的N區(qū)被耗盡
(c) 導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N型特征
圖1 內建橫向電場的MOSFET剖面，垂直N區(qū)被夾斷和導通
與常規(guī)MOSFET結構不同，內建橫向電場的MOSFET嵌入了垂直P區(qū)，將垂直導電區(qū)域的N區(qū)夾在中間，使MOSFET關斷時，垂直的P與N之間建立橫向電場，并且垂直導電區(qū)域的N摻雜濃度高于其外延區(qū)N－的摻雜濃度。
當VGSVth時，由于被電場反型而產生的N型導電溝道不能形成，并且D、S間加正電壓，使MOSFET內部PN結反偏形成耗盡層，并將垂直導電的N區(qū)耗盡。這個耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖1(b)所示。這時器件的耐壓取決于P與N－的耐壓。因此N－的低摻雜，高電阻率是必須的。
當VGS>Vth時，被電場反型而產生的N型導電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導電荷道進入被耗盡的垂直的N區(qū)中和正電荷，從而恢復被耗盡的N型特性，因此導電溝道形成。由于垂直N區(qū)具有較低的電阻率，因而導通電阻較常規(guī)MOSFET將明顯降低。
通過以上分析可以看到：阻斷電壓與導通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導通電阻的矛盾，同時也將阻斷時的表面PN結轉化為掩埋PN結在相同的N－摻雜濃度時，阻斷電壓還可進一步提高。
3 內建橫向電場MOSFET的主要特性
3.1 導通電阻的降低
Infineon的內建橫向電場的MOSFET，耐壓600V和800V與常規(guī)MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導通電阻分別下降到常規(guī)MOSFET的1/5和1/10；相同的額定電流，導通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結溫、額定電流條件下，導通壓降分別從12.6V，19.1V下降到6.07V和7.5V；導通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對較涼，故稱COOLMOS。
3.2 封裝的減小和熱阻的降低
相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規(guī)MOSFET減小到1/3和1/4，使封裝減小兩個管殼規(guī)格，如表2所示。
表2 封裝與額定電流電壓
| 型號 | STO?223 | SPAKIPAK | D2PAKTO?220 | TO?247 |
|---|---|---|---|---|
| COOLMOS | 600V4.5A0.95Ω | 600V7.3A0.6Ω | 600V20A0.19Ω | 600V47A0.07Ω |
| 800V6A0.9Ω | 800V17A0.29Ω | |||
| 常規(guī)MOSFET | 600V2A4.4Ω | 600V10A0.75Ω | 600V17A0.4Ω | |
| 800V4.1A3Ω | 800V9.1A0.8Ω |
3.3 開關特性的改善
COOLMOS的柵極電荷與開關參數均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，如表3所示。
表3 COOLMOS與常規(guī)MOSFET的柵極電荷與開關參數
| 型號 | Qg/nC | Qgs/nC | Qgd/nC | Ciss/pF | Coss/pF | Crss/pF | Tf/ns |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| COOLMOSSPB07N60C2 | 35 | 7.5 | 16.5 | 1036 | 370 | 10 | 10 |
| 常規(guī)600V，6?2A | 60 | 8.3 | 30 | 1400 | 160 | 7.0 | 20 |
| 常規(guī)低電荷600V，6?2A | 42 | 10 | 20 | 1300 | 160 | 30 | 18 |
3.4 抗雪崩擊穿能力與SCSOA
目前，新型的MOSFET無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流下，COOLMOS的IAS與ID25相同。但由于管芯面積的減小，IAS小于常規(guī)MOSFET，而具有相同管芯面積時，IAS和EAS則均大于常規(guī)MOSFET。
COOLMOS的最大特點之一就是它具有短路安全工作區(qū)（SCSOA），而常規(guī)MOS不具備這個特性。COOLMOS獲得SCSOA的主要原因是其轉移特性的變化。COOLMOS的轉移特性，如圖2所示。從圖2可以看到，當VGS>12V時，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結溫升高時，恒流值下降，VGS也下降。在最高結溫時，約為ID25的2倍，即正常工作電流的3～3.5倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會因柵極的15V驅動電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25，使COOLMOS在短路時所耗散的功率限制在350V×2ID25《350V×10ID25，盡可能地減少了短路時管芯的發(fā)熱；管芯熱阻降低，可使管芯產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可在正常柵極電壓驅動時，在0.6VDSS電源電壓下承受10μs短路沖擊，時間間隔大于1s，連續(xù)1000次不損壞，從而COOLMOS可以像IGBT一樣，在短路時得到有效的保護。
圖2 COOLMOS轉移特性
4 關于內建橫向電場高壓MOSFET發(fā)展現狀
繼1988年Infineon推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V類似于COOLMOS的內部結構，使500V、12A的MOSFET可封裝在TO?220管殼內，其導通電阻為0?35Ω，低于IRFP450的0?4Ω，額定電流與IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技術的MOSFET。IR也推出了Supper220、Supper247封裝的超級MOSFET，額定電流分別為35A及59A，導通電阻分別為0.082Ω、0.045Ω，150℃時導通壓降約4?7V，綜合指標均優(yōu)于常規(guī)MOSFET。因此，可以認為以上的MOSFET一定存在類似于橫向電場的特殊結構。
可以看到，設法降低高壓MOSFET的導通壓降已經成為現實，并且必交推動高壓MOSFET的應用。
5 COOLMOS與IGBT的比較
耐壓600V、800V的COOLMOS的高溫導通壓降分別約6、7.5V，關斷損耗降低1/2，總損耗降低1/2以上，使總損耗為常規(guī)MOSFET的40％～50％。常規(guī)耐壓600V的MOSFET的導通損耗占總損耗約75％，對應相同總損耗超高速IGBT的平衡點達160kHz，其中開關損耗占約75％。由于COOLMOS的總損耗降到常規(guī)MOSFET的40％～50％，對應的IGBT損耗平衡頻率將由160kHz降到約40kHz，增加了MOSFET在高壓中的應用。
6 結論
新型高壓MOSFET的問世使長期困擾高壓MOSFET的導通壓降高的問題得到了解決。應用它可簡化整機設計：如散熱器體積可減少到常規(guī)的40％左右；驅動電路，緩沖電路亦可簡化；由于它具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力，從而簡化了保護電路并使整機可靠性得以提高。
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