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GreenMOS技术

功率MOSFET与超级结MOSFET原理介绍


金属-氧化层-半导体场效应晶体管(MOSFET)是集成电路设计中的基本单元,它的电路符号和器件结构如图1所示。典型n沟道MOS器件具有4个电极,并连接不同的电压偏置。一般情况下源极和衬底极接低电位,比如接地。不工作时器件处于截止状态,此时器件的源极和漏极之间没有导电通道,相当于开关的断开状态。当栅极加上一个大于Vgs(th) 的正电压后,栅极氧化层下方的p型衬底表面会产生反型层, 即导通沟道。沟道连通了器件源极和漏极,此时nMOS相应的处于了导通状态。栅极电压越高,导通越充分。

       

      图1 MOSFET基本结构                     图2 VDMOS示意图


中高压功率MOSFET通常采用垂直沟道结构,如图2所示,器件的漏极在芯片底部,源极在芯片顶部,整个器件呈垂直结构放置。这种结构被称为Vertical Double-diffusion MOS (VDMOS)。从结构上看VDMOS的漏极从原来的表面位置移到了器件的底部,漏极电流也相应从器件的底部流到器件的表面,变成了垂直型器件。漏极电流与沟道之间的区域是漂移区,是高压功率器件用来耐压的主要部分。漂移区越厚且漂移区电阻率越低,则耐压越高,而与此同时器件的导通电阻相应的也就越高。这是因为VDMOS的Rdson 与BVdss的2~2.5次方成正比。即公式1:


Rdson = a* BV2~2.5


超级结MOSFET可以打破这个限制,其基本结构如图3所示。它和VDMOS相比最大的区别就是在p-body下方加入了p柱,使漂移区中出现了交替的pn结结构。利用相邻的pn柱之间相互耗尽的原理,将漂移区的浓度可以提升,使得器件导通时电阻率降低。而在关态时,p柱和n柱之间可以相互耗尽,使耗尽区尽量扩大,维持了较高的耐压,由此打破了公式1的硅极限,使导通电阻与击穿电压达到近似线性的关系,显著提高了器件的性能。


图3 SJ VDMOS示意图



相对于普通VDMOS器件,超级结功率器件的速度更快,FOM更低,但是也会带来其他的一些负面问题,比如高di/dt & dv/dt造成的栅极振荡及EMI问题。因此,超级结的设计十分讲究,设计不当则容易导致芯片的震荡而使器件出现EMI超标的问题。



GreenMOSTM 特点介绍

GreenMOSTM系列产品是东微半导体推出的一种新型超级结(Super-Junction)功率器件。Green即“绿色”之意,意喻GreenMOSTM自身为高品质的“绿色”产品,采用GreenMOSTM可以实现绿色设计并获得绿色能源产品。 GreenMOSTM系列产品额定电压范围为500~800V,覆盖了最小1A至最大76A以及不同封装类型的总共近百种芯片规格。由于采用了东微半导体的多项自主专利技术,GreenMOSTM系列产品成功克服了常规超级结所存在的低成品率、EMI超标等难题,性能达到甚至超过了国际一流品牌的水平,大幅领先于一般功率器件供应商。相对于其他公司的超级结器件,东微半导体的GreenMOSTM具有“快而不震”的优点,其显著特点如下所述:


1.     Soft-Switching (软开关)


GreenMOSTM对常规超级结功率器件的制造流程进行了多项优化设计,使器件内部的杂质分布及电容更适合于外部电路的高速开关动作,减小了纹波噪音和电压尖峰,由此所得到的开关波形更加平滑,开关期间的栅极震荡更低,有利于EMI的改善。



图4 常规超级结MOS与GreenMOSTM开关过程比较


2.     LOW FOM (低优值)


FOM(Figure of merit)是衡量功率器件设计优劣的重要标准,计算公式为Rdson*Qg,FOM越小表明器件的性能越佳。GreenMOSTM系列优化了器件的制造流程和设计,一方面通过独特的设计方法降低了Qg,另一方面在保持Low Qg的同时通过优化器件制造流程使得器件的比导通电阻更小,从而降低了GreenMOSTM的开态电阻。这两方面相辅相成使GreenMOSTM具备了业内领先的FOM值,其优秀的FOM特性使GreenMOSTM的动态损耗可降低到常规超级结器件的2/3,同时也支持2MHz的开关频率。开关速度甚至接近了高端的第三代半导体器件 - 高压GaN功率器件。


图5 GreenMOSTM高达2MHz 高频开关特性

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