超结结构的功率MOSFET输出电容特性

1   超结结构的高压功率MOSFET

功率MOSFET的输出电容C_oss会随着外加电压VDS的变化而变化，表现出非线性的特性，超结结构的高压功率MOSFET采用横向电场的电荷平衡技术，如图1所示。相对于传统的平面结构，超结结构将P型体区下沉，这样在其内部形成P柱，和N区非常宽的接触面产生宽的耗尽层，也就是空间电荷区，空间电荷区形成的电场，也就是横向电场，保证器件的耐压；同时，原来N区漂移层就可以提高掺杂浓度，降低导通电阻。和标准MOSFET相比，横向电场电荷平衡技术可以极大的减小硅片尺寸，得到更低的RDSON和更低的电容。^[2-4]

8月刊,四川大学计算机学院,万国半导体元件（深圳）有限公司应用中心

(a) 平面结构

(b) 超结结构

图1 平面结构和超结结构的高压功率MOSFET

2   超结结构的高压功率MOSFET寄生电容形成

超结结构的功率MOSFET在VDS电压上升、横向电场建立产生耗尽层（空间电荷区）过程中，N型漂移层两侧的空间电荷区边界会向中心移动，如图2所示，随着VDS电压的升高，两侧空间电荷区边界会接触碰到一起，然后向再下继续移动。在这个过程中，直接影响输出电容C_oss和反向传输电容C_rss的主要参数有：漏极和源极、栅极和漏极相对的面积、形状、厚度，以及相应的空间电荷区相对的距离。

(a) VDS电压非常低

(b) VDS增加到电容突变电压

(c) VDS处于电容突变电压区

(d) VDS达到最大值

图2 空间电荷区建立过程

VDS电压低时，P柱结构周边的空间电荷区厚度相对较小，而且空间电荷区沿着P柱的截面发生转折，相对的有效面积很大，如图2(a)所示，因此输出电容C_oss和反向传输电容C_rss的电容值非常大；VDS电压提高，空间电荷区沿着P柱的截面发生下移，当VDS电压提高到某一个区间，两侧的空间电荷区相互接触时，同时整体下移，电容的有效面积急剧降低， 同时空间电荷区厚度也急剧增加，因此Coss和Crss电容在这个VDS电压区间也随之发生相应的突变，产生非常强烈的非线性特性，如图2(b) 和(c)所示；VDS电压提高到更高的值，整个N区全部耗尽变为空间电荷区空间，此时电容的有效面积降低到非常、非常小的最低时，如图2(d)所示，输出电容Coss也降低到非常、非常小的最低值。

在低电压时，相对于柱结构和单元尺寸，空间电荷区厚度相对较小，P柱结构周边，空间电荷区发生转折，导致输出电容的有效面积变大。这2种因素导致在低压时，C_oss的值较大。VDS电压升高时，如VDS=20 V，VDS=100 V，从图3空间电荷区电场分布仿真图可以看到，

空间电荷区的形状开始变化，首先沿着补偿的结构经过波浪形的，然后进入更低有效面积的水平电容，因此高压的输出电容降低到2个数量级以下。

C_rss和C_oss相似，电容曲线的突变正好发生在上面二种状态过渡的转变的过程。

(a) 20 V空间电荷区电场分布

(b) 100 V空间电荷区电场分布

图3 空间电荷区电场分布

图4展示了平面和超结结构高压功率MOSFET的电容曲线，从图中的曲线可以的看到，当偏置电压VDS从0变化到高压时，输入电容C_iss没有很大的变化，  C_oss 和 C_rss 在低压的时候非常大，在高压时变得非常小。在20~40 V的区间，产生急剧、非常大的变化。

图4 平面和超结结构高压功率MOSFET的电容

3   工艺对超结结构的高压功率MOSFET寄生电容影响

新一代超结技术进一步降低内部每个晶胞单元尺寸，对于同样的导通电阻，降低内部晶胞单元尺寸可以降低硅片的尺寸，从而进一步硅片的尺寸以及相关的寄生电容，器件就可以工作在更高频率，采用更小的封装尺寸，降低系统的成本。

内部的晶胞单元尺寸采用更小的尺寸，在更小的硅片面积实现以前的技术相同的或者更低的导通电阻，就必须要求漂移层N区电流路径的掺杂浓度更高，内部会产生更高的横向电场也就是更强烈的电荷平衡特性，保证内部空间电荷区获得所要求的击穿电压；同时，内部结构中每个柱状结构的高度对宽度的比值增加，上述的这些因素导致新一代技术的超结结构的高压功率MOSFET的C_oss和C_rss的电容曲线的突变电压区将降低到更低的电压，寄生电容的非线性特性更为剧烈。

不同的工艺，转折点的电压不一样，转折点的电压越低，电容的非线性特性越强烈，对功率MOSFET的开关特性以及对系统的EMI影响也越强烈。采用以前技术的超结结构的输出电容C_oss非线性特性的VDS电压区间为40-60V，新一代的超结结构的输出电容C_oss非线性特性的VDS电压区间为20~30 V。电容Crss和电容Coss的下降发生在更低的电压区间，这种效应在开关过程形成更快的开关速度，可以明显的降低开关损耗。Crss小，减小开关过程中电流和电压的交越时间。

另外，因为功率MOSFET在关断过程中，储存在输出电容C_oss能量将会在每一个开关周期开通的过程中消耗在沟道中，新一代超结结构的功率MOSFET在高压时输出电容C_oss降低得更低，C_oss下降突变发生在更低的电压区，储存在输出电容C_oss的能量Eoss等于输出电容对VDS电压在工作电压范围内的积分计算得到，因此，E_oss能量降低到更低的值，进一步的降低硬开关工作过程中的开关损耗，特别是在轻载的时候，E_oss产生的开关损耗的作用更加明显，可以极大提高系统轻载的效率。^{[1] [5]}

然而，C_oss和C_rss这种效应在开关过程中，VDS电压经过这个电压区间，将会产生非常大的du/dt和di/dt，容易在驱动的栅极和漏极产生电压振荡，形成过高的VGS、VDS过电压尖峰，同时对系统EMI产生影响。

4   结论

1）超结结构的功率MOSFET内部P柱形成耗尽层及横向电场过程中，耗尽层空间电荷区的形状改变，导致影响输出电容的极板面积和距离发生剧烈的改变，输出电容具有强烈的非线性特性。

2）新一代超结技术采用更小晶胞单元尺寸，导致输出电容转折点电压进一步降低，对应的开关损耗减低，同时输出电容非线性特性进一步加剧。

3）输出电容非线性特性产生非常大的du/dt和di/dt，对系统EMI产生影响。

参考文献：

[1] 刘松. 理解功率MOSFET的开关损耗[J].今日电子,2009(10):52-55.

[2] 刘松.超结型高压功率MOSFET结构工作原理[J].今日电子, 2013(11):30-31.

[3] 刘松.功率MOSFET应用问题分析提高篇[J].今日电子, 2015(2): 30-33.

[4] 刘松.功率MOSFET应用问题分析基础篇[J].今日电子, 2014(12): 43-46.

[5] 刘松.理解MOSFET时间相关及能量相关输出电容Coss(tr)和Coss(er)[J].电子产品世界, 2019(4):62-65.

作者简介：

刘松，男，硕士，总监，主要从事开关电源系统、电力电子系统和模拟电路的应用研究和开发工作。获广东省科技进步二等奖一项，发表技术论文60多篇。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2020年8月期）