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  • 超結結構高壓功率MOSFET寄生電容形成解析
    • 發(fā)布時間:2022-04-18 20:07:41
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    超結結構高壓功率MOSFET寄生電容形成解析
    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(qū))過程中,N型漂移層兩側的空間電荷區(qū)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(qū)邊界會接觸碰到一起,然后向再下繼續(xù)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(shù)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(qū)相對的距離。
    高壓功率MOSFET 寄生電容
    (a) VDS電壓非常低
    高壓功率MOSFET 寄生電容
    (b) VDS增加到電容突變電壓
    高壓功率MOSFET 寄生電容
    (c) VDS處于電容突變電壓區(qū)
    高壓功率MOSFET 寄生電容
    (d) VDS達到最大值
    圖2 空間電荷區(qū)建立過程
    VDS電壓低時,P柱結構周邊的空間電荷區(qū)厚度相對較小,而且空間電荷區(qū)沿著P柱的截面發(fā)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(qū)沿著P柱的截面發(fā)生下移,當VDS電壓提高到某一個區(qū)間,兩側的空間電荷區(qū)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(qū)厚度也急劇增加,因此Coss和Crss電容在這個VDS電壓區(qū)間也隨之發(fā)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(qū)全部耗盡變?yōu)榭臻g電荷區(qū)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。
    在低電壓時,相對于柱結構和單元尺寸,空間電荷區(qū)厚度相對較小,P柱結構周邊,空間電荷區(qū)發(fā)生轉折,導致輸出電容的有效面積變大。
    這2種因素導致在低壓時,Coss的值較大。VDS電壓升高時,如VDS=20 V,VDS=100 V,從圖3空間電荷區(qū)電場分布仿真圖可以看到,
    空間電荷區(qū)的形狀開始變化,首先沿著補償?shù)慕Y構經過波浪形的,然后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2個數(shù)量級以下。
    Crss和Coss相似,電容曲線的突變正好發(fā)生在上面二種狀態(tài)過渡的轉變的過程。
    高壓功率MOSFET 寄生電容
    (a) 20 V空間電荷區(qū)電場分布
    高壓功率MOSFET 寄生電容
    (b) 100 V空間電荷區(qū)電場分布
    圖3 空間電荷區(qū)電場分布
    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20~40 V的區(qū)間,產生急劇、非常大的變化。
    高壓功率MOSFET 寄生電容
    圖4 平面和超結結構高壓功率MOSFET的電容
    工藝對超結結構的高壓功率MOSFET寄生電容影響
    新一代超結技術進一步降低內部每個晶胞單元尺寸,對于同樣的導通電阻,降低內部晶胞單元尺寸可以降低硅片的尺寸,從而進一步硅片的尺寸以及相關的寄生電容,器件就可以工作在更高頻率,采用更小的封裝尺寸,降低系統(tǒng)的成本。
    內部的晶胞單元尺寸采用更小的尺寸,在更小的硅片面積實現(xiàn)以前的技術相同的或者更低的導通電阻,就必須要求漂移層N區(qū)電流路徑的摻雜濃度更高,內部會產生更高的橫向電場也就是更強烈的電荷平衡特性,保證內部空間電荷區(qū)獲得所要求的擊穿電壓;
    同時,內部結構中每個柱狀結構的高度對寬度的比值增加,上述的這些因素導致新一代技術的超結結構的高壓功率MOSFET的Coss和Crss的電容曲線的突變電壓區(qū)將降低到更低的電壓,寄生電容的非線性特性更為劇烈。
    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(tǒng)的EMI影響也越強烈。
    采用以前技術的超結結構的輸出電容Coss非線性特性的VDS電壓區(qū)間為40-60V,新一代的超結結構的輸出電容Coss非線性特性的VDS電壓區(qū)間為20~30 V。
    電容Crss和電容Coss的下降發(fā)生在更低的電壓區(qū)間,這種效應在開關過程形成更快的開關速度,可以明顯的降低開關損耗。Crss小,減小開關過程中電流和電壓的交越時間。
    另外,因為功率MOSFET在關斷過程中,儲存在輸出電容Coss能量將會在每一個開關周期開通的過程中消耗在溝道中,新一代超結結構的功率MOSFET在高壓時輸出電容Coss降低得更低,Coss下降突變發(fā)生在更低的電壓區(qū),儲存在輸出電容Coss的能量Eoss等于輸出電容對VDS電壓在工作電壓范圍內的積分計算得到;因此,Eoss能量降低到更低的值,進一步的降低硬開關工作過程中的開關損耗,特別是在輕載的時候,Eoss產生的開關損耗的作用更加明顯,可以極大提高系統(tǒng)輕載的效率。
    然而,Coss和Crss這種效應在開關過程中,VDS電壓經過這個電壓區(qū)間,將會產生非常大的du/dt和di/dt,容易在驅動的柵極和漏極產生電壓振蕩,形成過高的VGS、VDS過電壓尖峰,同時對系統(tǒng)EMI產生影響。
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