新型功率场效应晶体管.

1、新型咼耐压功率场效应晶体管摘要：分析了常规高压 MOSFE的耐压与导通电阻间的矛盾，介绍了内建横向电场 的高压MOSFE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 MOSFE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，MOSFE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MOSH压的提高，其导通电阻也随之以2.42.6次幕增长，其增长速度使 MOSFE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

2、矛盾。即便如此，高压 MOSFE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 MOSFE的导通压降和新型结构 MOSFE的导通压降型号VDSS/ID25C/ID100C/Rd(o n25°C/Rd(o n150C/VDS/V(ID=ID(1VAAQQ00IRFBG301000 31.12.051326IRFBF309003.62.33.79.6221.2IRFBE308004.12.63.07.6519.1IRFBC306003.62.32.25.7512.6IRF8305004.531.43.6410.9IRF7304005.53.51

3、.02.68.5IRF6342508.15.10.451.155.6IRF6302009.05.70.40.925.2IRF530N10017.0120.110.242.9IRFZ34E6028.0200.0420.0761.5IRF237043042.0310.01250.020.62SSP07N0602fJ6007.34.60.61.326.07SSP06N80C80063.80.927.6IRFPS59N6CC60059370.0450.1264.66从表1中可以看到，耐压500V以上的MOSFE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

4、占了MOSFE总损耗的2/34/5 ,而使其应用受到了极大限制。2降低高压MOSFE导通电阻的原理与方法2.1 不同耐压的MOSFE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MOSFE的 外延层电阻则占总导通电阻的 96 5 %。由此可以推断耐压 800V的MOSFE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MOSFE结构所导致的高导通电阻的根本原因。2.2 降低高压MOSFE导通电阻的思路增加管芯面积虽能降低导通电阻，但

5、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MOSFE高开关速度的优点。以上两种办法不能降低高压MOSFE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MOSFE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COO

6、LMQ3使这一想法得以实现。内建横向电场的高压 MOSFE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MOSFEE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区中正电何中和并恢复N型特征图1内建横向电场的MOSFE剖面，垂直N区被夹断和导通与常规MOSFE结构不同，内建横向电场的 MOSFE嵌入了垂直P区，将垂直导电区域的N区夹在中间，使MOSFE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

7、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 MOSFE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

8、断电压还可进33.1内建横向电场 MOSFE的主要特性导通电阻的降低Infineon 的内建横向电场的 MOSFET耐压600V和800V与常规MOSFE器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下降到常规MOSFE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MOSFE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 COOLMOS3.2 封装的减小和热阻的降低相同额定电流的COOLMOS管芯较常规MOSFE减小到1/3和1/4，

9、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STO 223SPAKIPAKD2PAKTO 220TO 247COOLMOS600V4.5A0.9S600V7.3A0.6 Q600V20A0.19Q600V47A0.07Q00V6A0.9Q800V17A0.29Q；600V2A4.4Q600V10A0.75Q600V17A0.4Q由于COOLMOS芯厚度仅为常规 MOSFE的1/3，使TO-220封装RthJC从常规1C /W降到0.6 C /W,管芯散热能力的提高，使得额定功率从125W上升到208W3.3 开关特性的改善COOLMO的栅极电荷与开关参数均优于常规 MOSFE

10、T如表3所示。表3COOLMC与常规MOSFE的栅极电荷与开关参数型号Qg/nCQs/nCQgd/nCCiss/pFCoss/pFCrss/pFTf/nsCOOLMOSSPB07N60C2357.516.510363701010常规 600V 6 2A608.33014001607.020常规低电荷600V, 6 2A42102013001603018很明显，由于Qg特别是Qgd的减少，使COOLMOS开关时间约为常 规MOSFE的1/2 ;开关损耗降低约50%。关断时间的下降也与 COOLMO内部低栅 极电阻（1Q）有关。3.4抗雪崩击穿能力与SCSOA目前，新型的MOSFE无一例外地具有抗

11、雪崩击穿能力。 COOLMOW 具有抗雪崩能力。在相同额定电流下，COOLMOS 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MOSFETCOOLMO的最大特点之一就是它具有短路安全工作区（SCSO），而常 规MOSf具备这个特性。COOLMOS得SCSO的主要原因是其转移特性的变化。COOLMOS转移特性，如图2所示。从图2可以看到，当VGS>12Vt, COOLMOS 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33.5倍。在短

12、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短路时所耗散的功率限制在 350VX 2ID25350VX 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，COOLMO可在正常栅极电压驱动时，在0.6VDSS电源电压下承受10卩s短路冲击，时间间隔大于1s，连续1000次不损 坏，从而COOLMO可以像IGBT一样，在短路时得到有效的保护。16°246_I_1012L4161820J'la.'V图2COOLMO转移特性4关于内建横向电

13、场高压MOSFE发展现状继1988年Infineon 推出COOLMOS 2000年初ST推出500V类似于 COOLMOS内部结构，使 500V 12A的MOSFE可封装在TO 220管壳内，其导通电 阻为0 35 Q ,低于IRFP450的0 4 Q ,额定电流与IRFP450相近。IXYS也有使用 COOLMOS术的 MOSFETIR 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0.082 Q、0.045 Q , 150C时导通压 降约4 7V，综合指标均优于常规 MOSFET因此，可以认为以上的 MOSFE一定存

14、在 类似于横向电场的特殊结构。可以看到，设法降低高压 MOSFE的导通压降已经成为现实，并且必交 推动高压MOSFE的应用。5COOLMC与 IGBT的比较耐压600V、800V的COOLMOS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 MOSFE的40%50%。常规 耐压600V的MOSFE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总损耗降到常规 MOSFE的40%50%，对应的IGBT损耗平衡频率将由160kHz降到约40kHz,增 加了 MOSFE在高压中的应

15、用。6 结论新型高压MOSFE的问世使长期困扰高压 MOSFE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。型号 耐压（V电流（A功率（W型号 耐压（V电流（A功率（W2SK534 800 5 100 2SK1045 900 5 1502SK538 900 3 100 2SK1081 800 7 1252SK557 500 12 100 2SK1082 800 6 1252SK560 500 15 100 2SK1119 1000 4 10

16、02SK565 500 9 125 2SK1120 1000 8 1502SK566 800 3 78 2SK1198 800 3 752SK644 500 10 125 2SK1249 500 15 1302SK719 900 5 120 2SK1250 500 20 1502SK725 500 15 125 2SK1271 1400 5 2402SK727 900 5 125 2SK1280 500 18 1502SK774 500 18 120 2SK1341 900 5 100 2SK785 500 20 150 2SK1342 900 8 1002SK787 900 8 150 2S

17、K1357 900 5 1252SK788 500 13 150 2SK1358 900 9 1502SK790 500 15 150 2SK1451 900 5 1202SK955 800 9 150 2SK1498 500 20 1202SK962 900 8 150 2SK1500 500 25 1602SK1019 500 30 300 2SK1502 900 7 1202SK1020 500 30 300 2SK1512 850 10 1502SK1531 500 15 150 IRFP150 100 41 1802SK1537 900 5 100 IRFP151 60 19 180

18、2SK1539 900 10 150 IRFP240 200 31 1502SK1563 500 12 150 IRFP250 200 31 1802SK1649 900 6 100 IRFP251 150 33 1802SK1794 900 6 150 IRFP254 250 23 1802SK2038 900 6 125 IRFP350 400 16 180IRF350 500 13 150 IRFP351 350 16 180IRF360 400 25 300 IRFP360 400 23 250IRF440 500 8 125 IRFP450 500 14 180IRF450 500

19、13 150 IRFP451 450 14 180IRF451 450 13 150 IRFP452 500 12 180IRF460 500 21 300 IRFP460 500 20 250IRF740 400 10 125 MTH8N50 500 8 120IRF820 500 2.5 50 MTH8N60 600 8 120IRF834 500 5 100 MTH10N50 500 10 120IRF840 500 8 125 MTH12N50 500 12 120IRF841 450 8 125 H12N45 450 12 120IRF842 500 7 125 H13N50 500 13 150MTH14N50 500 14 150 MTP5N45 450 5 75MTH20N20 200 20 120 MTP5N50 500 5 75MTH25N20 200 25 1