超結結構高壓功率MOSFET寄生電容形成詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-01-04
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）過程中，N型漂移層兩側的空間電荷區邊界會向中心移動，如圖2所示，隨著VDS電壓的升高，兩側空間電荷區邊界會接觸碰到一起，然后向再下繼續移動。
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相對的距離。
（a） VDS電壓非常低
（b） VDS增加到電容突變電壓
（c） VDS處于電容突變電壓區
（d） VDS達到最大值
圖2 空間電荷區建立過程
VDS電壓低時，P柱結構周邊的空間電荷區厚度相對較小，而且空間電荷區沿著P柱的截面發生轉折，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，空間電荷區沿著P柱的截面發生下移，當VDS電壓提高到某一個區間，兩側的空間電荷區相互接觸時，同時整體下移，電容的有效面積急劇降低， 同時空間電荷區厚度也急劇增加，因此Coss和Crss電容在這個VDS電壓區間也隨之發生相應的突變，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區全部耗盡變為空間電荷區空間，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，空間電荷區厚度相對較小，P柱結構周邊，空間電荷區發生轉折，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空間電荷區電場分布仿真圖可以看到，
空間電荷區的形狀開始變化，首先沿著補償的結構經過波浪形的，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個數量級以下。
Crss和Coss相似，電容曲線的突變正好發生在上面二種狀態過渡的轉變的過程。
（a） 20 V空間電荷區電場分布
（b） 100 V空間電荷區電場分布
圖3 空間電荷區電場分布
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的區間，產生急劇、非常大的變化。
圖4 平面和超結結構高壓功率MOSFET的電容
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電壓區間為20~30 V。
電容Crss和電容Coss的下降發生在更低的電壓區間，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下降突變發生在更低的電壓區，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EMI產生影響。
聯系方式：鄒先生
聯系電話：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯系地址：深圳市福田區車公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關注”官方微信公眾號
請“關注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術幫助
免責聲明：本網站部分文章或圖片來源其它出處，如有侵權，請聯系刪除。
