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[導(dǎo)讀]功率MOSFET的輸出電容Coss會隨著外加電壓VDS的變化而變化,表現(xiàn)出非線性的特性,超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓功率MOSFET采用橫向電場的電荷平衡技術(shù),如圖1所示。相對于傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu),超結(jié)結(jié)構(gòu)將P型體區(qū)下沉,這樣在其內(nèi)部形成P柱,和N區(qū)非常寬的接觸面產(chǎn)生寬的耗盡層,


功率MOSFET輸出電容Coss會隨著外加電壓VDS的變化而變化,表現(xiàn)出非線性的特性,超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓功率MOSFET采用橫向電場的電荷平衡技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu),超結(jié)結(jié)構(gòu)將P型體區(qū)下沉,這樣在其內(nèi)部形成P柱,和N區(qū)非常寬的接觸面產(chǎn)生寬的耗盡層,也就是空間電荷區(qū),空間電荷區(qū)形成的電場,也就是橫向電場,保證器件的耐壓;同時,原來N區(qū)漂移層就可以提高摻雜濃度,降低導(dǎo)通電阻。和標(biāo)準(zhǔn)MOSFET相比,橫向電場電荷平衡技術(shù)可以極大的減小硅片尺寸,得到更低的RDSON和更低的電容。


超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET在VDS電壓上升、橫向電場建立產(chǎn)生耗盡層(空間電荷區(qū))過程中,N型漂移層兩側(cè)的空間電荷區(qū)邊界會向中心移動,隨著VDS電壓的升高,兩側(cè)空間電荷區(qū)邊界會接觸碰到一起,然后向再下繼續(xù)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(shù)有漏極和源極、柵極和漏極相對的面積、形狀、厚度,以及相應(yīng)的空間電荷區(qū)相對的距離。


VDS電壓低時,P柱結(jié)構(gòu)周邊的空間電荷區(qū)厚度相對較小,而且空間電荷區(qū)沿著P柱的截面發(fā)生轉(zhuǎn)折,相對的有效面積很大,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(qū)沿著P柱的截面發(fā)生下移,當(dāng)VDS電壓提高到某一個區(qū)間,兩側(cè)的空間電荷區(qū)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(qū)厚度也急劇增加,因此Coss和Crss電容在這個VDS電壓區(qū)間也隨之發(fā)生相應(yīng)的突變,產(chǎn)生非常強烈的非線性特性。


VDS電壓提高到更高的值,整個N區(qū)全部耗盡變?yōu)榭臻g電荷區(qū)空間,此時電容的有效面積降低到非常、非常小的最低時,輸出電容Coss也降低到非常、非常小的最低值。


VDS在20V,100V空間電荷區(qū)電場分布仿真圖,可以看到:在低電壓時,相對于柱結(jié)構(gòu)和單元尺寸,空間電荷區(qū)厚度相對的小,P柱結(jié)構(gòu)周邊空間電荷區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)折,導(dǎo)致輸出電容的有效面積變大。這二種因素導(dǎo)致在低壓時,Coss的值較大。高壓時,空間電荷區(qū)的形狀開始變化,首先沿著補償?shù)慕Y(jié)構(gòu),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二個數(shù)量級以下。


Crss和Coss相似,電容曲線的突變正好發(fā)生在上面二種狀態(tài)過渡的轉(zhuǎn)變的過程。


根據(jù)平面和超結(jié)結(jié)構(gòu)高壓功率MOSFET的電容曲線可以看到,當(dāng)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20-40V的區(qū)間,產(chǎn)生急劇、非常大的變化。


不同的工藝,轉(zhuǎn)折點的電壓不一樣,轉(zhuǎn)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(guān)特性以及對系統(tǒng)的EMI影響也越強烈。


留一個問題給大家:為何在高壓段,Coss和Crss會有所增加?

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