【经验】超级结MOSFET在电源上的应用优点及问题

时间： 2022-12-15 来源：HI-SEMICON

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COOLMOS也就是super junction MOS，由于大家习惯沿用了英飞凌的叫法，所以一直叫COOLMOS，也叫超结MOS。（以下文字参考西安芯派电子上海研发中心刘博士的论文及相关网络资料）

1988 年，飞利浦美国公司的 D.J.Coe 申请了编号为 US Pat:4754310 的美国专利，第一次提出了在 LDMOS 结构的基础上，采用 pn 交替结构来取代原来单一淡浓度掺杂的漂移区，有效较低导通电阻的同时保持器件耐压的方法来实现真正意义上的超结器件。如图一所示，在原先传统 LDMOS的漂移区中，通过 pn 交替的结构来代替单一淡浓度掺杂的漂移区，LDMOS 的漏端为高浓度掺杂的n+区域，它直接连接到 pn 交替的漂移区。

1993 年，电子科技大学的陈星弼教授也在美国专利局申请了编号为 US Pat:5216275 专利。在他的专利中提出，在 VDMOS 器件中，用多个 pn 间隔结构来做外延漂移层的概念，并称其为——复合缓冲层‖（Composite Buffer Layer）。如图 1.10 所示，陈星弼教授的专利中给出的示意结构中，如当前主流的超结 MOS 器件已经十分相似了。图二中，VDMOS 器件中外延区由 pn 交替掺杂的外延漂移区组成。陈星弼教授同时在专利中分析了此 pn 交替掺杂的漂移区的三维分布方式。

两年后，即 1995 年，西门子公司的 J.Tihanyi 也申请了编号为 US Pat:5216275 的专利，提出了和陈星弼教授类似的思路和应用方案。Tihanyi 的专利结构见图三，其同样是采用 pn 交替掺杂的结构在替代传统功率 MOS 器件中单一掺杂的漂移层。

这三份专利提出了一种全新的思路，新的器件结构使陷入硅限瓶颈的人们为之振奋。在这之后，人们基于此前这三人的思路和理论推导，对基于此方向的新型高压器件进行了深入的研究和开发。1997年，随着研究的深入，Tatsuhiko 等人正式提出了―超结理论（Superjunction Theory）的概念。Tatsuhiko 等人将之前的研究进行了总结和归纳。从此之后，超结理论得到了广泛的引用和流程，被众多研究人员所接受，并不断得到新的研究成果。超结理论提出后，针对超结 MOS 器件的研究随之在世界范围内展开。在 1998 年，英飞凌公司正式宣布世界上第一代产品级的新型超结 MOSFET 器件诞生，并称之为COOLMOS。自此超结MOSFET慢慢的走入了我们电源工程师的视野。随着超结MOSFET的推广，国内的国内的众多企业也推出了自己的超结产品，如南方芯源微科技有限公司在2012年成功的推出了自己一些列的超结产品，并应用到众多的企业中去。

SJ_MOS与VDMOS的结构差异

为了克服传统MOS导通电阻与击穿电压之间的矛盾，一些人在VDMOS基础上提出了一种新型的理想器件结构，既我们所说的超结MOS，超结MOS的结构如图2所示，其由一些列的P型和N型半导体薄层交替排列组成。在截止态时，由于P型和N型层中的耗尽区电场产生相互补偿效应，使P型和N型层的掺杂浓度可以做的很高而不会引起器件击穿电压的下降。导通时，这种高浓度的掺杂可以使其导通电阻显著下降，大约有两个数量级。因为这种特殊的结构，使得超结MOS的性能优于传统的VDMOS。如下表中芯派电子的超结MOS与平面MOS部分参数比对可知，超结MOS器件参数优于平面MOS。

对于常规VDMOS器件结构， Rdson与BV这一对矛盾关系，要想提高BV，都是从减小EPI参杂浓度着手，但是外延层又是正向电流流通的通道，EPI参杂浓度减小了，电阻必然变大，Rdson就大了。Rdson直接决定着MOSFET单体的损耗大小。所以对于普通VDMOS，两者矛盾不可调和，这就是常规VDMOS的局限性。但是对于超结MOS，这个矛盾就不那么明显了。通过设置一个深入EPI的的P区，大大提高了BV，同时对Rdson上不产生影响。对于常规VDMOS，反向耐压，主要靠的是N型EPI与body区界面的PN结，对于一个PN结，耐压时主要靠的是耗尽区承受，耗尽区内的电场大小、耗尽区扩展的宽度的面积。常规VDSMO，P body浓度要大于N EPI，大家也应该清楚，PN结耗尽区主要向低参杂一侧扩散，所以此结构下，P body区域一侧，耗尽区扩展很小，基本对承压没有多大贡献，承压主要是P body——N EPI在N型的一侧区域，这个区域的电场强度是逐渐变化的，越是靠近PN结面，电场强度E越大。对于COOLMOS结构，由于设置了相对P body浓度低一些的P region区域，所以P区一侧的耗尽区会大大扩展，并且这个区域深入EPI中，造成了PN结两侧都能承受大的电压，换句话说，就是把峰值电场Ec由靠近器件表面，向器件内部深入的区域移动了。

COLLMOS在电源上应用的优点总结

（1）通态阻抗小，通态损耗小。

由于SJ-MOS的Rdson远远低于VDMOS，在系统电源类产品中SJ-MOS的导通损耗必然较之VDMOS要减少的多。其大大提高了系统产品上面的单体MOSFET的导通损耗，提高了系统产品的效率，SJ-MOS的这个优点在大功率、大电流类的电源产品产品上，优势表现的尤为突出。

（2）同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高。

首先，同等电流以及电压规格条件下，SJ-MOS的晶源面积要小于VDMOS工艺的晶源面积，这样作为MOS的厂家，对于同一规格的产品，可以封装出来体积相对较小的产品，有利于电源系统功率密度的提高。其次，由于SJ-MOS的导通损耗的降低从而降低了电源类产品的损耗，因为这些损耗都是以热量的形式散发出去，我们在实际中往往会增加散热器来降低MOS单体的温升，使其保证在合适的温度范围内。由于SJ-MOS可以有效的减少发热量，减小了散热器的体积，对于一些功率稍低的电源，甚至使用SJ-MOS后可以将散热器彻底拿掉。有效的提高了系统电源类产品的功率密度。

（3）棚电荷小，对电路的驱动能力要求降低。

传统VDMOS的栅电荷相对较大，我们在实际应用中经常会遇到由于IC的驱动能力不足造成的温升问题，部分产品在电路设计中为了增加IC的驱动能力，确保MOSFET的快速导通，我们不得不增加推挽或其它类型的驱动电路，从而增加了电路的复杂性。SJ-MOS的栅电容相对比较小，这样就可以降低其对驱动能力的要求，提高了系统产品的可靠性。

（4）节电容小，开关速度加快，开关损耗小。

由于SJ-MOS结构的改变，其输出的节电容也有较大的降低，从而降低了其导通及关断过程中的损耗。同时由于SJ-MOS栅电容也有了响应的减小，电容充电时间变短，大大的提高了SJ-MOS的开关速度。对于频率固定的电源来说，可以有效的降低其开通及关断损耗。提高整个电纸的源缩升发青勇频率相对较高的电源上，效果更加明显。

COLLMOS系统应用可能会出现的问题
（1）EMI可能超标。

由于SJ-MOS拥有较小的寄生电容，造就了超级结MOSFET具有极快的开关特性。因为这种快速开关特性伴有极高的dv/dt和di/dt，会通过器件和印刷电路板中的寄生元件而影响开关性能。对于在现代高频开关电源来说，使用了超级结MOSFET，EMI干扰肯定会变大，对于本身设计余量比较小的电源板，在SI-MOS在替换VDMOS的过程中背定会出现EMI超标的情况。

（2）栅极震荡。

功率MOSFET的引线电感和寄生电容引起的棚极振铃，由于超级结MOSFET具有较高的开关dv/dt，其震荡现象会更加突出。这种震荡在启动状态、过载状况和MOSFET并联工作时，会发生严重问题，导致MOSFET失效的可能。

（3）抗浪涌及耐压能力差。

由于SJ-MOS的结构原因，很多厂商的SJ-MOS在实际应用推广替代VDMOS的过程中，基本都出现过浪涌及耐压测试不合格的情况。这种情况在通信电源及雷击要求较高的电源产品上，表现的更为突出。这点必须引起我们的注意。

（4）漏源极电压尖峰比较大。

深鸿盛MOSFET目前使用的客户主要是反激的电路拓扑，由于本身电路的原因，变压器的漏感、散热器接地、以及电源地线的处理等问题，不可避免的要在MOSFET上产生相应的电压尖峰。针对这样的问题，反激电源大多选用RCDSUNBER电路进行吸收。由于SJ-MOS拥有较快的开关速度，势必会造成更高的VDS尖峰，如果反压设计余量太小及漏感过大，更换SJ-MOS后，极有可能出现VD尖峰失效问题。

（5）纹波噪音差。

由于SJ-MOS拥有较高的dv/dt和di/dt，必然会将MOSFET的尖峰通过变都包辨身精的电压及电流的纹波增加。甚至造成电容的温升失效问题的产生。

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