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多层外延工艺超结MOS在电源中的应用

发布人:reasunos瑞森 时间:2022-10-14 来源:工程师 发布文章

超结也称为超级结,是英文Super Junction 的直译,而英飞凌之前将这种技术称之为CoolMOS。因而超结(Super Junction,CoolMOS一直混用至今。瑞森半导体多年前就进军超结领域,经过多年研发生产,目前已拥有完整的超结系列产品。

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一、超结MOS结构

传统高压MOS,晶圆衬底为降低其电阻会做高掺杂,但为保证其击穿电压,在外延N-上掺杂浓度会降低,而低掺杂浓度的外延层会导致结构电阻增大,也就是MOS管的内阻增大。

为解决这一状况开发出超结技术,超结MOSFET 采用了在垂直沟槽结构,在外延N-层建立了深入的p型区,其掺杂浓度比原p型区的掺杂浓度低,其作用是补偿导通电荷,并使pn结的耗尽区向p区一侧扩展,起到了电压支持层的作用,降低了击穿电压对外延层N-的要求。这样便可提高延层N-掺杂浓度,从而降低其结构电阻。

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二、超结MOS的特点

1.内阻低(RDSON) 

得益于特殊的芯片内部结构,使得超结MOS具有极低的内阻,在相同的芯片面积下,超结MOS芯片的内阻甚至只有传统MOS的一半以上。较低的内阻,能降低损耗,减少发热。特别在对温度要求高的产品上,例如充电头,使用超结替代传统MOS可以降低产品外壳能感受的温度,使得用户拥有更好的产品体验。

2.减小封装体积

在同等电压和电流要求下,超结MOS的芯片面积能做到比传统MOS更小,因而可以封装更小尺寸的产品,这样有利于设计更小体积的电源电路。

在同等要求中,使用超结MOS得益于低内阻,其损耗发热会比传统MOS低很多,因而对散热要求会降低。在实际电源应用中,通常会减少甚至取消散热片尺寸,也在另一方面降低了成本。

3.超结的抗浪涌能力(EAS)

由于超结MOS芯片结构比传统MOS芯片更容易出现缺陷,而缺陷的增多直接表现为芯片的抗浪涌能力降低。这也是不少使用者在用超结MOS替代VDMOS的过程中,容易出现浪涌及雷击测试不合格的情况。当电源对浪涌要求高时,例如户外产品,需特别注意MOS的抗浪涌能力,若使用超结MOS时,必须要设计好浪涌保护电路。超结MOS工艺有深沟槽和多层外延两种,深沟槽为一次在外延上掩刻及填充,多层外延为一次次掩刻,反复注入掺杂。深沟槽工艺成本较低,但品质相对难控制,多层外延由于多次掩刻成本较高,但品质较为稳定。瑞森超结MOS使用成熟多层外延工艺,确保产品优良品质。

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4.较小的栅电荷

在电源设计中,由于传统MOS栅电荷相较大,对IC的驱动能力要求较高,若IC驱动能力不足会造成温升等问题,所以在选择驱动IC时会受到限制,甚至对于驱动不足的IC会另外增加设计推挽电路。

得益超结MOS芯片结构,超结MOS具有相对于传统MOS较小的栅电荷,所以对电路的驱动能力要求降低,从而放宽对驱动IC的要求,让电路设计有更多选择。 

5.较低的结电容

由于芯片结构的改变,超结MOS的结电容比传统MOS有很大的降低,较低的输出结电容能改善MOS开关损耗。而较低的栅电容能减小栅极充电时间,提高开关速度。超结MOS结电容的减小,可以有效的降低电源电路开关损耗,提高整个电源系统的效率。

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但另一方面超结MOS较小的寄生电容和极快的开关特性,会造成较高的dv/dt和di/dt并通过器件和印刷电路板中的寄生电容电感等,而影响开关性能。对于高频电源来说,使用超结MOS,可能会比使用传统MOS有更高的EMI,所以在使用超结MOS的电路中,其EMI的控制需要特别注意。另外,较快的开关速度会造成电路中更高的VDS尖峰,所以在电路设计超结MOS VDS的过程中余量要计算充足,必要时可调整驱动电阻以降低其电压尖峰。

三、瑞森多层外延工艺超结MOS

瑞森多层外延工艺超结MOS系列产品,具有内阻低,抗冲击能力强,结电容低,可靠性高,品质稳定等特点。目前该系列产品已与众多的客户合作,瑞森助力客户制造更优质电源。

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