新型高耐压功率场效应晶体管
摘要：分析了常规高压MOSFET的耐压与导通电阻间的矛盾，介绍了内建横向电场的高压MOSFET的结构，分析了解决耐压与导通电阻间矛盾的方法与原理，介绍并分析了具有代表性的新型高压MOSFET的主要特性。 关键词：内建横向电场；耗尽层；导通电阻；短路安全工作区
1 引言 在功率半导体器件中，MOSFET以其高开关速度，低开关损耗，低驱动损耗等特点而在各种功率变换，特别是在高频功率变换中扮演着主要角色。但随着MOS耐压的提高，其导通电阻也随之以2.4～2.6次幂增长，其增长速度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流，以折中额定电流、导通电阻和成本之间的矛盾。即便如此，高压MOSFET在额定结温下的导通电阻产生的导通压降仍居高不下，如表1所示。
表1管芯面积相近，耐压不同的MOSFET的导通压降和新型结构MOSFET的导通压降 | 型号 | VDSS/V | ID25℃/A | ID100℃/A | Rd(on)25℃/Ω | Rd(on)150℃/Ω | VDS/V(ID=ID(100)) | | IRFBG30 | 1000 | 3.1 | 2.0 | 5 | 13 | 26 | | IRFBF30 | 900 | 3.6 | 2.3 | 3.7 | 9.62 | 21.2 | | IRFBE30 | 800 | 4.1 | 2.6 | 3.0 | 7.65 | 19.1 | | IRFBC30 | 600 | 3.6 | 2.3 | 2.2 | 5.75 | 12.6 | | IRF830 | 500 | 4.5 | 3 | 1.4 | 3.64 | 10.9 | | IRF730 | 400 | 5.5 | 3.5 | 1.0 | 2.6 | 8.5 | | IRF634 | 250 | 8.1 | 5.1 | 0.45 | 1.15 | 5.6 | | IRF630 | 200 | 9.0 | 5.7 | 0.4 | 0.92 | 5.2 | | IRF530N | 100 | 17.0 | 12 | 0.11 | 0.24 | 2.9 | | IRFZ34E | 60 | 28.0 | 20 | 0.042 | 0.076 | 1.5 | | IRF23704 | 30 | 42.0 | 31 | 0.0125 | 0.02 | 0.62 | | SSP07N060C2 | 600 | 7.3 | 4.6 | 0.6 | 1.32 | 6.07 | | SSP06N80C2 | 800 | 6 | 3.8 | 0.9 | 2 | 7.6 | | IRFPS59N60C | 600 | 59 | 37 | 0.045 | 0.126 | 4.66 |
从表1中可以看到，耐压500V以上的MOSFET在额定结温、额定电流条件下的导通压降很高，耐压800V以上的导通压降高得惊人。由于导通损耗占了MOSFET总损耗的2/3～4/5，而使其应用受到了极大限制。
2 降低高压MOSFET导通电阻的原理与方法
2.1 不同耐压的MOSFET的导通电阻分布 不同耐压的MOSFET，其导通电阻中各部分电阻所占比例也不同。如耐压30V的MOSFET，其外延层电阻仅占总导通电阻的29％；耐压600V的MOSFET的外延层电阻则占总导通电阻的965％。由此可以推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外延层电阻占据。 欲获得高阻断电压，就必须采用高电阻率的外延层，并增厚。这就是常规高压MOSFET结构所导致的高导通电阻的根本原因。
2.2 降低高压MOSFET导通电阻的思路 增加管芯面积虽能降低导通电阻，但成本的提高所付出的代价是难于接受的。 引入少数载流子导电虽能降低导通压降，但付出的代价却是开关速度的降低并出现拖尾电流，导致开关损耗增加，失去了MOSFET高开关速度的优点。 以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻，所剩的思路就是如何将阻断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高掺杂、低电阻率分开解决。如导通时低掺杂的高耐压外延层对导通电阻只能起增大作用而无其它作用。这样，是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现，而在MOSFET关断时，设法使这个通道以某种方式夹断，使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N－外延层。基于这种思想1988年Infineon推出内建横向电场耐压为600V的COOLMOS，使这一想法得以实现。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1所示。
(a) 内建横向电场的高压MOSFEET剖面结构 (b) 垂直的N区被耗尽 (c) 导电沟道形成后来自源极的电子将垂直的N区中正电荷中和并恢复N型特征 图1 内建横向电场的MOSFET剖面，垂直N区被夹断和导通 与常规MOSFET结构不同，内建横向电场的MOSFET嵌入了垂直P区，将垂直导电区域的N区夹在中间，使MOSFET关断时，垂直的P与N之间建立横向电场，并且垂直导电区域的N掺杂浓度高于其外延区N－的掺杂浓度。 当VGS<Vth时，由于被电场反型而产生的N型导电沟道不能形成，并且D、S间加正电压，使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层，并将垂直导电的N区耗尽。这个耗尽层具有纵向高阻断电压，如图1(b)所示。这时器件的耐压取决于P与N－的耐压。因此N－的低掺杂，高电阻率是必须的。 当VGS>Vth时，被电场反型而产生的N型导电沟道形成。源极区的电子通过导电荷道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷，从而恢复被耗尽的N型特性，因此导电沟道形成。由于垂直N区具有较低的电阻率，因而导通电阻较常规MOSFET将明显降低。 通过以上分析可以看到：阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域。将阻断电压与导通电阻功能分开，解决了阻断电压与导通电阻的矛盾，同时也将阻断时的表面PN结转化为掩埋PN结在相同的N－掺杂浓度时，阻断电压还可进一步提高。
3 内建横向电场MOSFET的主要特性
3.1 导通电阻的降低 Infineon的内建横向电场的MOSFET，耐压600V和800V与常规MOSFET器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下降到常规MOSFET的1/5和1/10；相同的额定电流，导通电阻分别下降到1/2和约1/3。在额定结温、额定电流条件下，导通压降分别从12.6V，19.1V下降到6.07V和7.5V；导通损耗下降到常规MOSFET的1/2和1/3。由于导通损耗的降低，发热减少，器件相对较凉，故称COOLMOS。
3.2 封装的减小和热阻的降低
相同额定电流的COOLMOS的管芯较常规MOSFET减小到1/3和1/4，使封装减小两个管壳规格，如表2所示。
表2 封装与额定电流电压
| 型号 | STO223 | SPAKIPAK | D2PAKTO220 | TO247 | | COOLMOS | 600V4.5A0.95Ω | 600V7.3A0.6Ω | 600V20A0.19Ω | 600V47A0.07Ω | | | 800V6A0.9Ω | 800V17A0.29Ω | | | 常规MOSFET | | 600V2A4.4Ω | 600V10A0.75Ω | 600V17A0.4Ω | | | | 800V4.1A3Ω | 800V9.1A0.8Ω |
由于COOLMOS管芯厚度仅为常规MOSFET的1/3，使TO-220封装RthJC从常规1℃/W降到0.6℃/W，管芯散热能力的提高，使得额定功率从125W上升到208W。
3.3 开关特性的改善
COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优于常规MOSFET，如表3所示。 表3 COOLMOS与常规MOSFET的栅极电荷与开关参数
| 型号 | Qg/nC | Qgs/nC | Qgd/nC | Ciss/pF | Coss/pF | Crss/pF | Tf/ns | | COOLMOSSPB07N60C2 | 35 | 7.5 | 16.5 | 1036 | 370 | 10 | 10 | | 常规600V，62A | 60 | 8.3 | 30 | 1400 | 160 | 7.0 | 20 | | 常规低电荷600V，62A | 42 | 10 | 20 | 1300 | 160 | 30 | 18 |
很明显，由于Qg，特别是Qgd的减少，使COOLMOS的开关时间约为常规MOSFET的1/2；开关损耗降低约50％。关断时间的下降也与COOLMOS内部低栅极电阻（<1Ω）有关。
3.4 抗雪崩击穿能力与SCSOA 目前，新型的MOSFET无一例外地具有抗雪崩击穿能力。COOLMOS同样具有抗雪崩能力。在相同额定电流下，COOLMOS的IAS与ID25相同。但由于管芯面积的减小，IAS小于常规MOSFET，而具有相同管芯面积时，IAS和EAS则均大于常规MOSFET。 COOLMOS的最大特点之一就是它具有短路安全工作区（SCSOA），而常规MOS不具备这个特性。COOLMOS获得SCSOA的主要原因是其转移特性的变化。COOLMOS的转移特性，如图2所示。从图2可以看到，当VGS>12V时，COOLMOS的漏极电流不再增加，呈恒流状态。特别是在结温升高时，恒流值下降，VGS也下降。在最高结温时，约为ID25的2倍，即正常工作电流的3～3.5倍。在短路状态下，漏极电流不会因栅极的15V驱动电压而上升到不可容忍的十几倍的ID25，使COOLMOS在短路时所耗散的功率限制在350V×2ID25《350V×10ID25，尽可能地减少了短路时管芯的发热；管芯热阻降低，可使管芯产生的热量迅速地散发到管壳，抑制了管芯温度的上升速度。因此，COOLMOS可在正常栅极电压驱动时，在0.6VDSS电源电压下承受10μs短路冲击，时间间隔大于1s，连续1000次不损坏，从而COOLMOS可以像IGBT一样，在短路时得到有效的保护。
图2 COOLMOS转移特性 4 关于内建横向电场高压MOSFET发展现状
2000年初ST推出500V类似于COOLMOS的内部结构，使500V、12A的MOSFET可封装在TO220管壳内，其导通电阻为035Ω，低于IRFP450的04Ω，额定电流与IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技术的MOSFET。IR也推出了Supper220、Supper247封装的超级MOSFET，额定电流分别为35A及59A，导通电阻分别为0.082Ω、0.045Ω，150℃时导通压降约47V，综合指标均优于常规MOSFET。因此，可以认为以上的MOSFET一定存在类似于横向电场的特殊结构。 可以看到，设法降低高压MOSFET的导通压降已经成为现实，并且必交推动高压MOSFET的应用。 5 COOLMOS与IGBT的比较 耐压600V、800V的COOLMOS的高温导通压降分别约6、7.5V，关断损耗降低1/2，总损耗降低1/2以上，使总损耗为常规MOSFET的40％～50％。常规耐压600V的MOSFET的导通损耗占总损耗约75％，对应相同总损耗超高速IGBT的平衡点达160kHz，其中开关损耗占约75％。由于COOLMOS的总损耗降到常规MOSFET的40％～50％，对应的IGBT损耗平衡频率将由160kHz降到约40kHz，增加了MOSFET在高压中的应用。 6 结论 新型高压MOSFET的问世使长期困扰高压MOSFET的导通压降高的问题得到了解决。应用它可简化整机设计：如散热器体积可减少到常规的40％左右；驱动电路，缓冲电路亦可简化；由于它具备抗雪崩击穿能力和抗短路能力，从而简化了保护电路并使整机可靠性得以提高。
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