注册登录

为什么超结高压功率MOSFET输出电容的非线性特性更严重?

微信图片_20200330092542.jpg

功率MOSFET的输出电容Coss会随着外加电压VDS的变化而变化,表现出非线性的特性,超结结构的高压功率MOSFET采用横向电场的电荷平衡技术,如图1所示。相对于传统的平面结构,超结结构将P型体区下沉,这样在其内部形成P柱,和N区非常宽的接触面产生宽的耗尽层,也就是空间电荷区,空间电荷区形成的电场,也就是横向电场,保证器件的耐压;同时,原来N区漂移层就可以提高掺杂浓度,降低导通电阻。和标准MOSFET相比,横向电场电荷平衡技术可以极大的减小硅片尺寸,得到更低的RDSON和更低的电容。


微信图片_20200330092547.jpg

(a) 平面结构

微信图片_20200330092553.jpg

(b) 超结结构

图1:平面结构和超结结构的高压功率MOSFET

 

超结结构的功率MOSFET在VDS电压上升、横向电场建立产生耗尽层(空间电荷区)过程中,N型漂移层两侧的空间电荷区边界会向中心移动,如图2所示,随着VDS电压的升高,两侧空间电荷区边界会接触碰到一起,然后向再下继续移动。在这个过程中,直接影响输出电容Coss和反向传输电容Crss的主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距离。

 

微信图片_20200330092609.jpg

(a) VDS电压非常低

微信图片_20200330092612.jpg

(b) VDS增加到电容突变电压

微信图片_20200330092615.jpg

(c) VDS处于电容突变电压区

微信图片_20200330092618.jpg

(d) VDS达到最大值

图2:空间电荷区建立过程

 

VDS电压低时,P柱结构周边的空间电荷区厚度相对较小,而且空间电荷区沿着P柱的截面发生转折,相对的有效面积很大,如图2(a)所示,因此输出电容Coss和反向传输电容Crss的电容值非常大。


VDS电压提高,空间电荷区沿着P柱的截面发生下移,当VDS电压提高到某一个区间,两侧的空间电荷区相互接触时,同时整体下移,电容的有效面积急剧降低,同时空间电荷区厚度也急剧增加,因此Coss和Crss电容在这个VDS电压区间也随之发生相应的突变,产生非常强烈的非线性特性,如图2(b) 和(c)所示。


VDS电压提高到更高的值,整个N区全部耗尽变为空间电荷区空间,此时电容的有效面积降低到非常、非常小的最低时,如图2(d)所示,输出电容Coss也降低到非常、非常小的最低值。

VDS在20V,100V空间电荷区电场分布仿真图,可以看到:在低电压时,相对于柱结构和单元尺寸,空间电荷区厚度相对的小,P柱结构周边空间电荷区发生转折,导致输出电容的有效面积变大。这二种因素导致在低压时,Coss的值较大。高压时,空间电荷区的形状开始变化,首先沿着补偿的结构,然后进入更低有效面积的水平电容,因此高压的输出电容降低到二个数量级以下。


微信图片_20200330092621.jpg

(a) 20V空间电荷区电场分布

微信图片_20200330092623.jpg

(b) 100V空间电荷区电场分布

图3:空间电荷区电场分布


Crss和Coss相似,电容曲线的突变正好发生在上面二种状态过渡的转变的过程。 

 

图4展示了平面和超结结构高压功率MOSFET的电容曲线,从图中的曲线可以的看到,当偏置电压VDS从0变化到高压时,输入电容Ciss没有很大的变化,Coss和Crss在低压的时候非常大,在高压时变得非常小。在20-40V的区间,产生急剧、非常大的变化。


微信图片_20200330092626.jpg

图4:平面和超结结构高压功率MOSFET的电容曲线


不同的工艺,转折点的电压不一样,转折点的电压越低,电容的非线性特性越强烈,对功率MOSFET的开关特性以及对系统的EMI影响也越强烈。

0条回复

作者
用户头像
文章 0关注 0粉丝 0
发私信
相关文章
联系客服