為什麼超結高壓功率MOSFET輸出電容的非線性特性更嚴重?

2021-02-25 松哥電源

功率MOSFET的輸出電容Coss會隨著外加電壓VDS的變化而變化，表現出非線性的特性，超結結構的高壓功率MOSFET採用橫向電場的電荷平衡技術，如圖1所示。相對於傳統的平面結構，超結結構將P型體區下沉，這樣在其內部形成P柱，和N區非常寬的接觸面產生寬的耗盡層，也就是空間電荷區，空間電荷區形成的電場，也就是橫向電場，保證器件的耐壓；同時，原來N區漂移層就可以提高摻雜濃度，降低導通電阻。和標準MOSFET相比，橫向電場電荷平衡技術可以極大的減小矽片尺寸，得到更低的RDSON和更低的電容。


(a) 平面結構

(b) 超結結構

圖1：平面結構和超結結構的高壓功率MOSFET

 

超結結構的功率MOSFET在VDS電壓上升、橫向電場建立產生耗盡層（空間電荷區）過程中，N型漂移層兩側的空間電荷區邊界會向中心移動，如圖2所示，隨著VDS電壓的升高，兩側空間電荷區邊界會接觸碰到一起，然後向再下繼續移動。在這個過程中，直接影響輸出電容Coss和反向傳輸電容Crss的主要參數有漏極和源極、柵極和漏極相對的面積、形狀、厚度，以及相應的空間電荷區相對的距離。

 

(a) VDS電壓非常低

(b) VDS增加到電容突變電壓

(c) VDS處於電容突變電壓區

(d) VDS達到最大值

圖2：空間電荷區建立過程

 

VDS電壓低時，P柱結構周邊的空間電荷區厚度相對較小，而且空間電荷區沿著P柱的截面發生轉折，相對的有效面積很大，如圖2(a)所示，因此輸出電容Coss和反向傳輸電容Crss的電容值非常大。

VDS電壓提高，空間電荷區沿著P柱的截面發生下移，當VDS電壓提高到某一個區間，兩側的空間電荷區相互接觸時，同時整體下移，電容的有效面積急劇降低，同時空間電荷區厚度也急劇增加，因此Coss和Crss電容在這個VDS電壓區間也隨之發生相應的突變，產生非常強烈的非線性特性，如圖2(b) 和(c)所示。

VDS電壓提高到更高的值，整個N區全部耗盡變為空間電荷區空間，此時電容的有效面積降低到非常、非常小的最低時，如圖2(d)所示，輸出電容Coss也降低到非常、非常小的最低值。

VDS在20V，100V空間電荷區電場分布仿真圖，可以看到：在低電壓時，相對於柱結構和單元尺寸，空間電荷區厚度相對的小，P柱結構周邊空間電荷區發生轉折，導致輸出電容的有效面積變大。這二種因素導致在低壓時，Coss的值較大。高壓時，空間電荷區的形狀開始變化，首先沿著補償的結構，然後進入更低有效面積的水平電容，因此高壓的輸出電容降低到二個數量級以下。

(a) 20V空間電荷區電場分布

(b) 100V空間電荷區電場分布

圖3：空間電荷區電場分布

Crss和Coss相似，電容曲線的突變正好發生在上面二種狀態過渡的轉變的過程。 

 

圖4展示了平面和超結結構高壓功率MOSFET的電容曲線，從圖中的曲線可以的看到，當偏置電壓VDS從0變化到高壓時，輸入電容Ciss沒有很大的變化，Coss和Crss在低壓的時候非常大，在高壓時變得非常小。在20-40V的區間，產生急劇、非常大的變化。

圖4：平面和超結結構高壓功率MOSFET的電容曲線

不同的工藝，轉折點的電壓不一樣，轉折點的電壓越低，電容的非線性特性越強烈，對功率MOSFET的開關特性以及對系統的EMI影響也越強烈。

留一個問題給大家：為何在高壓段，Coss和Crss會有所增加？

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