什么是cool mosfet-cool mosfet與其他MOSFET的區別及優(yōu)勢等詳解

cool mosfet介紹

什么是cool mosfet，對于常規VDMOS 器件結構， Rdson 與BV 這一對矛盾關(guān)系，要想提高BV，都是從減小EPI 參雜濃度著(zhù)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(zhù)MOS 單體的損耗大小。

所以對于普通VDMOS，兩者矛盾不可調和，這就是常規VDMOS的局限性。但是對于COOLMOS，這個(gè)矛盾就不那么明顯了。通過(guò)設置一個(gè)深入EPI 的的P 區，大大提高了BV，同時(shí)對Rdson 上不產(chǎn)生影響。對于常規VDMOS，反向耐壓，主要靠的是N 型EPI 與body區界面的PN結，對于一個(gè)PN 結，耐壓時(shí)主要靠的是耗盡區承受，耗盡區內的電場(chǎng)大小、耗盡區擴展的寬度的面積。

常規VDSMO，P body 濃度要大于N EPI，大家也應該清楚，PN 結耗盡區主要向低參雜一側擴散，所以此結構下，P body 區域一側，耗盡區擴展很小，基本對承壓沒(méi)有多大貢獻，承壓主要是P body－－N EPI 在N 型的一側區域，這個(gè)區域的電場(chǎng)強度是逐漸變化的，越是靠近PN 結面，電場(chǎng)強度E越大。

對于COOLMOS 結構，由于設置了相對P body 濃度低一些的P region 區域，所以P 區一側的耗盡區會(huì )大大擴展，并且這個(gè)區域深入EPI 中，造成了PN 結兩側都能承受大的電壓，換句話(huà)說(shuō)，就是把峰值電場(chǎng)Ec 由靠近器件表面，向器件內部深入的區域移動(dòng)了。

什么是cool mosfet的結構及P區制造方法

1、多次注入法

之所以采用多次注入，是由于P區需要深入到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Super junction的結構（STM）。

STM結構的3D示意圖

3、cool mosfet開(kāi)深溝槽后外延生長(cháng)填充形成P區

結構中縱向Ｐ型區的形成方法，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生長(cháng)出Ｐ型單晶硅形成在Ｎ型外延上的Ｐ型區域，然后通過(guò)回刻工藝將槽內生長(cháng)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型區域。該方法減少了工藝的復雜度和加工時(shí)間。

什么是cool mosfet-cool mosfet與其他MOSFET的區別

（1）結構上的區別

平面水平溝道的MOSFET的結構如下圖所示。

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，當柵極處于適當正電位時(shí)，其二氧化硅層下面的晶體表面區由P型變?yōu)镹型（反型層），形成N型導電溝道。平面水平溝道的MOSFET在LSI（大規模集成電路）里得到了廣泛的應用。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(cháng)比W/L，而平面水平溝道的MOSFET的溝道長(cháng)L不能太小，因此只能增大芯片面積，這很不經(jīng)濟。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電型MOSFET（VMOSFET）的出現，VMOSFET分為VVMOSFET和VDMOSFET兩種結構，比較常用的是VDMOSFET，其結構如下兩個(gè)圖所示。

VVMOSFET結構圖

VDMOSFET結構圖

VVMOSFET是利用V型槽來(lái)實(shí)現垂直導電的，當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區和N＋區域的電子受到吸引，當Vgs足夠大時(shí)，就會(huì )形成N型導電溝道，使漏源極之間有電流流過(guò)。

VDMOSFET的柵極結構為平面式，當Vgs足夠大時(shí)，兩個(gè)源極之間會(huì )形成N型導電溝道，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)合得到更多應用，我們在整流模塊中常用的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－外延區的電阻，有兩種方法得到應用，這就是溝道式柵極MOSFET和Cool MOSFET，它們的結構分別如下兩個(gè)圖所示。

溝道式柵極MOSFET結構圖

溝道式柵極MOSFET是將VDMOSFET中的“T”導電通路縮短為兩條平行的垂直型導電通路，從而降低通態(tài)電阻。

 Cool MOSFET結構圖

Cool MOSFET則是兩個(gè)垂直P(pán)井條之間的垂直高摻雜N＋擴散區域為電子提供了低阻通路，從而降低通態(tài)電阻。較低濃度的兩個(gè)垂直P(pán)井條主要是為了耐壓而設計的。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(lèi)繁多，為了能有一個(gè)直觀(guān)的印象，現對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 

4、柵極電荷小，驅動(dòng)功率小 

5、節電容小，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構上的差異導致的。

Cool-MOS的優(yōu)勢

什么是cool mosfet，cool mosfet的優(yōu)勢有哪些？

1.通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小

由于SJ-MOS 的Rdson 遠遠低于VDMOS，在系統電源類(lèi)產(chǎn)品中SJ-MOS 的導通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統產(chǎn)品上面的單體MOSFET 的導通損耗，提高了系統產(chǎn)品的效率，SJ-MOS的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在大功率、大電流類(lèi)的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上，優(yōu)勢表現的尤為突出。

2.同等功率規格下封裝小，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(chǎng)家，對于同一規格的產(chǎn)品，可以封裝出來(lái)體積相對較小的產(chǎn)品，有利于電源系統功率密度的提高。

其次，由于SJ-MOS 的導通損耗的降低從而降低了電源類(lèi)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(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。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。有效的提高了系統電源類(lèi)產(chǎn)品的功率密度。

3.柵電荷小，對電路的驅動(dòng)能力要求降低

傳統VDMOS 的柵電荷相對較大，我們在實(shí)際應用中經(jīng)常會(huì )遇到由于IC 的驅動(dòng)能力不足造成的溫升問(wèn)題，部分產(chǎn)品在電路設計中為了增加IC 的驅動(dòng)能力，確保MOSFET 的快速導通，我們不得不增加推挽或其它類(lèi)型的驅動(dòng)電路，從而增加了電路的復雜性。SJ-MOS 的柵電容相對比較小，這樣就可以降低其對驅動(dòng)能力的要求，提高了系統產(chǎn)品的可靠性。

4.節電容小，開(kāi)關(guān)速度加快，開(kāi)關(guān)損耗小

由于SJ-MOS 結構的改變，其輸出的節電容也有較大的降低，從而降低了其導通及關(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)電源系統的效率。這一點(diǎn)尤其在頻率相對較高的電源上，效果更加明顯。

cool mosfet系統應用可能會(huì )出現的問(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，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 的結構原因，很多廠(chǎng)商的SJ-MOS 在實(shí)際應用推廣替代VDMOS 的過(guò)程中，基本都出現過(guò)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(xiàn)的處理等問(wèn)題，不可避免的要在MOSFET 上產(chǎn)生相應的電壓尖峰。針對這樣的問(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，勢必會(huì )造成更高的VDS 尖峰。如果反壓設計余量太小及漏感過(guò)大，更換SJ-MOS 后，極有可能出現VD 尖峰失效問(wèn)題。

4、EMI可能超標

由于SJ-MOS 擁有較小的寄生電容，造就了超級結MOSFET 具有極快的開(kāi)關(guān)特性。因為這種快速開(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。對于在現代高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，使用了超級結MOSFET，EMI 干擾肯定會(huì )變大，對于本身設計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EMI 超標的情況。

5、柵極震蕩

功率MOSFET 的引線(xiàn)電感和寄生電容引起的柵極振鈴，由于超級結MOSFET 具有較高的開(kāi)關(guān)dv/dt。其震蕩現象會(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)生嚴重問(wèn)題，導致MOSFET失效的可能。

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