logo.png logo2.png
  • Home
  • Applications
  • Support
  • About Us
Log in / Register
avatar.jpg

Super Junction MOS Technology Overview

2024-12-26

引言

随着电子器件的不断发展,特别是在功率电子领域,对高效、低损耗和高性能器件的需求日益增加。超级结金属氧化物半导体场效应晶体管(Super Junction MOSFET,简称 SJ-MOSFET)作为一种新型的功率器件,因其优越的电气性能和热性能而受到广泛关注。本文将探讨超级结 MOS 的工作原理、结构特点、优势以及应用领域。

1. 工作原理

超级结 MOS 的工作原理与传统的 MOSFET 相似,但在结构上进行了创新。SJ-MOSFET 通过在 N 型和 P 型区域之间形成多层结结构,从而显著提高了器件的击穿电压和导通电流。

在 SJ-MOSFET 中,交替排列的 N 型和 P 型区域形成了一个“超级结”,这种结构能够有效地控制载流子浓度分布,减少了器件的导通电阻(RDSon),同时由于其独特的电场分布,显著提升了击穿电压。电流主要在高掺杂区域内流动,降低了电场强度,增强了器件的耐压性能。

1.1 基本概念

SJ-MOSFET 的基本工作原理与传统的 MOSFET 相似,都是通过电场来控制源极与漏极之间的电流。不同之处在于 SJ-MOSFET 采用了超级结结构,这种结构使得器件在高电压和高功率应用中具备更高的性能。

 

VDMOS 基本结构(左) SJMOS 基本结构(右)

图 1:MOSFET 基本结构对比示意图

如图 1 所示,SJ-MOSFET 由交替的 N 型和 P 型区域构成,从而可以通过提高漂移区的掺杂浓度,大大降低导通电阻,同时不改变器件的击穿电压。在器件的工作过程中,栅极电压的变化会影响通道中的电子和空穴的分布,从而实现对电流的调控。

1.2 超级结结构

SJ-MOSFET 的核心在于其多结结构,这种结构不仅提高了器件的击穿电压,还有效降低了导通电阻。超级结的形成可以理解为多个 PN 结的结合,这种设计使得电场在器件内部更加均匀分布,减少了电场集中可能导致的击穿现象。

图 2:超级结结构示意图

如图 2 所示,由于设置了相对 P 阱浓度低一些的 P-pillar 区域,所以 P-pillar 一侧的耗尽区会大大扩展,并且这个区域深入外延层中,造成了 PN 结两侧都能承受大的电压,把峰值电场 Ec 由靠近器件表面向器件内部深入的区域移动,形成的耐压面积为矩形,电压增加。所以 SJ-MOSFET 可以采用相对较高浓度的漂移区情况下,实现高的击穿电压和低的导通电阻。

2. 结构特点

2.1 主要结构组成

SJ-MOSFET 的主要结构组成包括:

  • 源极(Source):提供输入电流的区域。

  • 漏极(Drain):输出电流的区域。

  • 栅极(Gate):控制源极和漏极之间电流的区域。

  • 超级结区域:由交替的 N-pillar 和 P-pillar 构成。

图 3:Infineon P7 SJ-MOSFET 结构示意图

2.2 电气特性

SJ-MOSFET 的电气特性与其结构密切相关,主要包括:

  • 导通电阻:SJ-MOSFET 的导通电阻显著低于传统 MOSFET,打破硅极限(RDS(on) ∝ BV)。

  • 击穿电压:SJ-MOSFET 的耐压水平通常在 500 V 至 1200 V,其中 650 V 及 800 V 比较常用。

  • 开关速度:SJ-MOSFET 在高频开关应用中表现良好,能够快速响应栅极信号。

3. 制造工艺

3.1 制造流程

SJ-MOSFET 的制造工艺复杂,分为 Multi-EPI 和 Deep-Trench 两大类,我们在次以前者为例解析,Multi-EPI 主要包括以下几个步骤:

  1. 衬底准备:选择适合的衬底材料,进行清洗和准备。

  2. 外延生长:通过离子注入或扩散工艺,形成 N 型和 P 型区域。

  3. 光刻:使用光刻技术在衬底上定义超级结的几何形状。

  4. 刻蚀:通过干法刻蚀或湿法刻蚀去除不必要的材料,形成所需的结构。

  5. 金属化:在源极、漏极和栅极上沉积金属材料,形成电极。

4. 应用领域

SJ-MOSFET 广泛应用于多个领域,包括但不限于:

  • 电源管理:用于开关电源、DC-DC 转换器等电源管理系统中,提升效率和降低能耗。

  • 电动汽车:在电动汽车的驱动系统和充电桩中,SJ-MOSFET 能有效提高功率转换效率。

  • 可再生能源:用于光伏逆变器和风能转换系统,提升能源转换效率。

  • 消费电子:在高效电源适配器和 LED 驱动电路中,SJ-MOSFET 能够显著降低能耗,提高设备性能。

结论

超级结 MOSFET 凭借其独特的结构设计和优越的性能特征,正成为现代功率电子器件中不可或缺的一部分。随着技术的不断进步和应用领域的扩展,SJ-MOSFET 将在未来的电子产品中发挥更加重要的作用。对于设计工程师而言,充分理解 SJ-MOSFET 的特性和优势,将有助于实现更高效能和更低能耗的电源解决方案。

Previous Article : BFI Function Next Article : Circular C/2024/2997 officially published in the Official Journal of the European Union

Return
logo2.png
mail:
sales@hyasic.com
Contact address:
4010 Moorpark Ave, #108, San Jose, CA 95117, USAce
Home
Applications
AC/DC USB Fast Charging
AC/DC Adapter
Mini LED Backlight
Automotive Standard Display Management
Support
Sample Request
Technical Articles
FAQ
Community
Download Center
About Us
About Us
Join Us
Contact Us
Follow us
公众号QR.jpg
Allrights reserved G 2024 HyAsic All Rights Reserved. Yue lCP10059378 No
Site Map Legal Disclaimers
  • 公众号QR.jpg