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高压超结Super Junction结构及工作原理

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发表于 2016-11-9 11:52:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

在学习超结工作原理的内容之前,让我们一起先回到我们的大学年代,回顾在<电子技术>或<模拟电路>这门课的第一章所学的PN结吧!要知道,所有功率半导体设计工程师的功力和水平,全部体现在PN,能够设计出性能稳定优异、满足器件应用要求的不同类型的PN。


1、 PN结
在纯净的硅晶体中掺入五价元素如磷,使之取代晶格中硅原子的位置,形成N型半导体。N型半导体中,多子为自由电子,少子为空穴。在纯净的硅晶体中掺入三价元素如硼,使之取代晶格中硅原子的位置,形成P型半导体。P型半导体中,空穴的浓度大于自由电子的浓度,空穴称为多数载流子,简称多子。自由电子为少数载流子,简称少子。
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图1:N和P型半导体
P型半导体与N型半导体相互接触时,其交界区域称为PN结。物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动,这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散,造成正负电荷在PN结两侧的积累,电荷的积累形成电场,电场方向正好阻止扩散的进行,但有利于电荷的漂移运动。在无外电场和其它激发作用下,参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目,从而达到动态平衡。

由于P区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合,而N区中的电子向P区扩散后与P区中的空穴复合,PN结两侧区域自由载流子数减少而形成耗尽层,也称为高阻层,耗尽层中没有多子,也没有少子,P区一侧出现负离子区,N区出现正离子区,称为空间电荷区。

PN结外加正向电压时,耗尽层变小到几乎可以忽略。外加反向电压时,耗尽层变宽。可以看到,内建的电场产生的电压和外加电压相等时,PN结内部才能达到平衡,因此耗尽层是PN结承受电压最核心的因素。
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图2:PN结


2、 高压超结型功率MOSFET


高压的功率MOSFET通常采用平面型结构,其中,厚的低掺杂的N-的外延层,即epi层,用来保证具有足够的击穿电压,低掺杂的N-的epi层的尺寸越厚,耐压的额定值越大,但是其导通电阻也急剧的增大。导通电阻随电压以2.4-2.6次方增长,这样,就降低的电流的额定值。为了得到一定的导通电阻值,就必须增大硅片的面积,成本随之增加。如果类似于IGBT引入少数载流子导电,可以降低导通压降,但是少数载流子的引入会降低工作的开关频率,并产生关断的电流拖尾,从而增加开关损耗。

高压的功率MOSFET的外延层对总的导通电阻起主导作用,要想保证高压的功率MOSFET具有足够的击穿电压,同时,降低导通电阻,最直观的方法就是:在器件关断时,让低掺杂的外延层保证要求的耐压等级,同时,在器件导通时,形成一个高掺杂N+区,作为功率MOSFET导通时的电流通路,也就是将反向阻断电压与导通电阻功能分开,分别设计在不同的区域,就可以实现上述的要求。基于超结SuperJunction的内建横向电场的高压功率MOSFET就是基本这种想法设计出的一种新型器件。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图3所示。英飞凌最先将这种结构生产出来,并为这种结构的MOSFET设计了一种商标CoolMOS,这种结构从学术上来说,通常称为超结型功率MOSFET。

垂直导电N+区夹在两边的P区中间,当MOS关断时,形成两个反向偏置的PN结:P和垂直导电N+、P+和外延epi层N-。P和垂直导电N+形成PN结反向偏置,PN结耗尽层增大,并建立横向水平电场;同时,P+和外延层N-形成PN结也是反向偏置形,产生宽的耗尽层,并建立垂直电场。由于垂直导电N+区掺杂浓度高于外延区N-的掺杂浓度,而且垂直导电N+区两边都产生横向水平电场,这样垂直导电的N+区整个区域基本上全部都变成耗尽层,这样的耗尽层具有非常高的纵向的阻断电压,因此,器件的耐压就取决于高掺杂P+区与低掺杂外延层N-区的耐压。

当MOS导通时,栅极和源极的电场将栅极下的P区反型,在栅极下面的P区产生N型导电沟道,同时,源极区的电子通过导电沟道进入垂直的N+区,中和N+区的正电荷空穴,从而恢复被耗尽的N+型特性,因此导电沟道形成,垂直N+区掺杂浓度高,具有较低的电阻率,因此导通电阻低。
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  图3:内建横向电场的SuperJunction结构

比较平面结构和沟槽结构的功率MOSFET,可以发现,超结型结构实际是综合了平面型和沟槽型结构两者的特点,是在平面型结构中开一个低阻抗电流通路的沟槽,因此具有平面型结构的高耐压和沟槽型结构低电阻的特性。

内建横向电场的高压超结型结构与平面型结构相比较,同样面积的硅片可以设计更低的导通电阻,因此具有更大的额定电流值。由于要开出N+沟槽,它的生产工艺比较复杂,雪崩能量不容易控制。目前N+沟槽主要有两种方法直接制作:(1)通过一层一层的外延生长得到N+沟槽,(2)直接开沟槽。前者工艺相对的容易控制,但工艺的程序多,成本高;后者成本低,但不容易保证沟槽内性能的一致性。


3超结型结构的工作原理


3.1 关断状态

从图4中可以看到,垂直导电N+区夹在两边的P区中间,当MOS关断时,也就是G极的电压为0时,横向形成两个反向偏置的PN结:P和垂直导电N+、P+和外延epi层N-。栅极下面的的P区不能形成反型层产生导电沟道,左边P和中间垂直导电N+形成PN结反向偏置,右边P和中间垂直导电N+形成PN结反向偏置,PN结耗尽层增大,并建立横向水平电场。

当中间的N+的渗杂浓度和宽度控制得合适,就可以将中间的N+完全耗尽,如图4(b)所示,这样在中间的N+就没有自由电荷,相当于本征半导体,中间的横向电场极高,只有外部电压大于内部的横向电场,才能将此区域击穿,所以,这个区域的耐压极高,远大于外延层的耐压,功率MOSFET管的耐压主要由外延层来决定。
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图4:横向电场及耗尽层
注意到,P+和外延层N-形成PN结也是反向偏置形,有利于产生更宽的耗尽层,增加垂直电场。

3.2 开通状态

当G极加上驱动电压时,在G极的表面将积累正电荷,同时,吸引P区的电子到表面,将P区表面空穴中和,在栅极下面形成耗尽层,如图5示。随着G极的电压提高,栅极表面正电荷增强,进一步吸引P区电子到表面,这样,在G极下面的P型的沟道区中,积累负电荷,形成N型的反型层,同时,由于更多负电荷在P型表面积累,一些负电荷将扩散进入原来完全耗尽的垂直的 N+,横向的耗尽层越来越减小,横向的电场也越来越小。G极的电压进一步提高,P区更宽范围形成N型的反型层,最后,N+区域回到原来的高渗杂的状态,这样,就形成的低导通电阻的电流路径,如图5(c)所示。
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图5:超结型导通过程


    另外还有一种介于平面和超结型结构中间的类型,是AOS开发的一种专利结构,虽然电流密度低于超结型,但抗大电流冲击能力非常优异。
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图6:介于平面和超结型结构中间的类型



文章来源:微信公众号   融创芯城(一站式电子元器件、PCB、PCBA购买服务平台,项目众包平台)


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