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会跟着外加电压VDS的改动而改动，表现出非线性的特性，超结结构的高压功率MOSFET选用横向电场的电荷平衡技能，如图1所示。相关于传统的平面结构，超结结构将P型体区下沉，这样在其内部构成P柱，和N区十分宽的触摸面发生宽的耗尽层，也便是空间电荷区，空间电荷区构成的电场，也便是横向电场，确保器材的耐压；一同，本来N区漂移层就能够进步掺杂浓度，下降导通电阻。和规范MOSFET比较，横向电场电荷平衡技能能够极大的减小硅片尺度，得到更低的RDSON和更低的电容。^[2-4]

(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寄生电容构成

超结结构的功率MOSFET在VDS电压上升、横向电场树立发生耗尽层（空间电荷区）进程中，N型漂移层两边的空间电荷区鸿沟会向中心移动，如图2所示，跟着VDS电压的升高，两边空间电荷区鸿沟会触摸碰到一同，然后向再下持续移动。在这个进程中，直接影响输出电容C_oss和反向传输电容C_rss的首要参数有：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间隔。

(a) VDS电压十分低

(b) VDS添加到电容骤变电压

(c) VDS处于电容骤变电压区

(d) VDS到达最大值

图2 空间电荷区树立进程

VDS电压低时，P柱结构周边的空间电荷区厚度相对较小，并且空间电荷区沿着P柱的截面发生转机，相对的有用面积很大，如图2(a)所示，因而输出电容C_oss和反向传输电容C_rss的电容值十分大；VDS电压进步，空间电荷区沿着P柱的截面发生下移，当VDS电压进步到某一个区间，两边的空间电荷区彼此触摸时，一同全体下移，电容的有用面积急剧下降， 一同空间电荷区厚度也急剧添加，因而Coss和Crss电容在这个VDS电压区间也随之发生相应的骤变，发生十分激烈的非线性特性，如图2(b) 和(c)所示；VDS电压进步到更高的值，整个N区悉数耗尽变为空间电荷区空间，此刻电容的有用面积下降到十分、十分小的最低时，如图2(d)所示，输出电容Coss也下降到十分、十分小的最低值。

在低电压时，相关于柱结构和单元尺度，空间电荷区厚度相对较小，P柱结构周边，空间电荷区发生转机，导致输出电容的有用面积变大。这2种要素导致在低压时，C_oss的值较大。VDS电压升高时，如VDS=20 V，VDS=100 V，从图3空间电荷区电场散布仿真图能够看到，

空间电荷区的形状开端改动，首要沿着补偿的结构通过波浪形的，然后进入更低有用面积的水平电容，因而高压的输出电容下降到2个数量级以下。

C_rss和C_oss类似，电容曲线的骤变正好发生在上面二种状况过渡的改动的进程。

(a) 20 V空间电荷区电场散布

(b) 100 V空间电荷区电场散布

图3 空间电荷区电场散布

图4展现了平面和超结结构高压功率MOSFET的电容曲线，从图中的曲线能够的看到，当偏置电压VDS从0改动到高压时，输入电容C_iss没有很大的改动，  C_oss 和 C_rss 在低压的时分十分大，在高压时变得十分小。在20~40 V的区间，发生急剧、十分大的改动。

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

新一代超结技能进一步下降内部每个晶胞单元尺度，关于相同的导通电阻，下降内部晶胞单元尺度能够下降硅片的尺度，然后进一步硅片的尺度以及相关的寄生电容，器材就能够作业在更高频率，选用更小的封装尺度，下降体系的本钱。

内部的晶胞单元尺度选用更小的尺度，在更小的硅片面积完成曾经的技能相同的或许更低的导通电阻，就必须要求漂移层N区电流途径的掺杂浓度更高，内部会发生更高的横向电场也便是更激烈的电荷平衡特性，确保内部空间电荷区取得所要求的击穿电压；一同，内部结构中每个柱状结构的高度对宽度的比值添加，上述的这些要素导致新一代技能的超结结构的高压功率MOSFET的C_oss和C_rss的电容曲线的骤变电压区将下降到更低的电压，寄生电容的非线性特性更为剧烈。

不同的工艺，转机点的电压不一样，转机点的电压越低，电容的非线性特性越激烈，对功率MOSFET的开关特性以及对体系的EMI影响也越激烈。选用曾经技能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，这种效应在开关进程构成更快的开关速度，能够显着的下降开关损耗。Crss小，减小开关进程中电流和电压的交越时刻。

别的，由于功率MOSFET在关断进程中，储存在输出电容C_oss能量将会在每一个开关周期注册的进程中耗费在沟道中，新一代超结结构的功率MOSFET在高压时输出电容C_oss下降得更低，C_oss下降骤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电压在作业电压范围内的积分核算得到，因而，E_oss能量下降到更低的值，进一步的下降硬开关作业进程中的开关损耗，特别是在轻载的时分，E_oss发生的开关损耗的效果愈加显着，能够极大进步体系轻载的功率。^{[1] [5]}

但是，C_oss和C_rss这种效应在开关进程中，VDS电压通过这个电压区间，将会发生十分大的du/dt和di/dt，简单在驱动的栅极和漏极发生电压振动，构成过高的VGS、VDS过电压尖峰，一同对体系EMI发生影响。

4   定论

1）超结结构的功率MOSFET内部P柱构成耗尽层及横向电场进程中，耗尽层空间电荷区的形状改动，导致影响输出电容的极板面积和间隔发生剧烈的改动，输出电容具有激烈的非线性特性。

2）新一代超结技能选用更小晶胞单元尺度，导致输出电容转机点电压进一步下降，对应的开关损耗减低，一同输出电容非线性特性进一步加重。

3）输出电容非线性特性发生十分大的du/dt和di/dt，对体系EMI发生影响。

参考文献：

[1] 刘松. 了解功率MOSFET的开关损耗[J].今天电子,2009(10):52-55.

[2] 刘松.超结型高压功率MOSFET结构作业原理[J].今天电子, 2013(11):30-31.

[3] 刘松.功率MOSFET使用问题剖析进步篇[J].今天电子, 2015(2): 30-33.

[4] 刘松.功率MOSFET使用问题剖析根底篇[J].今天电子, 2014(12): 43-46.

[5] 刘松.了解MOSFET时刻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，首要从事开关电源体系、电力电子体系和模仿电路的使用研究和开发作业。获广东省科技进步二等奖一项，宣布技能论文60多篇。