為什么超結(jié)高壓功率MOSFET輸出電容的非線性特性更嚴(yán)重？

功率MOSFET的輸出電容Coss會(huì)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(chǎng)的電荷平衡技術(shù)。相對(duì)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(chǎng)，也就是橫向電場(chǎng)，保證器件的耐壓；同時(shí)，原來(lái)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(chǎng)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(chǎng)建立產(chǎn)生耗盡層（空間電荷區(qū)）過(guò)程中，N型漂移層兩側(cè)的空間電荷區(qū)邊界會(huì)向中心移動(dòng)，隨著VDS電壓的升高，兩側(cè)空間電荷區(qū)邊界會(huì)接觸碰到一起，然后向再下繼續(xù)移動(dòng)。在這個(gè)過(guò)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(duì)的面積、形狀、厚度，以及相應(yīng)的空間電荷區(qū)相對(duì)的距離。

VDS電壓低時(shí)，P柱結(jié)構(gòu)周邊的空間電荷區(qū)厚度相對(duì)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(duì)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(gè)區(qū)間，兩側(cè)的空間電荷區(qū)相互接觸時(shí)，同時(shí)整體下移，電容的有效面積急劇降低，同時(shí)空間電荷區(qū)厚度也急劇增加，因此Coss和Crss電容在這個(gè)VDS電壓區(qū)間也隨之發(fā)生相應(yīng)的突變，產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的非線性特性。

VDS電壓提高到更高的值，整個(gè)N區(qū)全部耗盡變?yōu)榭臻g電荷區(qū)空間，此時(shí)電容的有效面積降低到非常、非常小的最低時(shí)，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(chǎng)分布仿真圖，可以看到：在低電壓時(shí)，相對(duì)于柱結(jié)構(gòu)和單元尺寸，空間電荷區(qū)厚度相對(duì)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(shí)，Coss的值較大。高壓時(shí)，空間電荷區(qū)的形狀開始變化，首先沿著補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)，然后進(jìn)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(gè)數(shù)量級(jí)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(guò)渡的轉(zhuǎn)變的過(guò)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(shí)，輸入電容Ciss沒(méi)有很大的變化，Coss和Crss在低壓的時(shí)候非常大，在高壓時(shí)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(diǎn)的電壓不一樣，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電壓越低，電容的非線性特性越強(qiáng)烈，對(duì)功率MOSFET的開關(guān)特性以及對(duì)系統(tǒng)的EMI影響也越強(qiáng)烈。

留一個(gè)問(wèn)題給大家：為何在高壓段，Coss和Crss會(huì)有所增加？