基於超級結技術的功率MOSFET已成為高壓開關轉換器領域的業界規範。它們提供更低的RDS(on)，同時具有更少的柵極和和輸出電荷
，這有助於在任意給定頻率下保持更高的效率。

 

 

圖1顯示了一種傳統平麵式高壓MOSFET的簡單結構。平麵式MOSFET通常具有高單位芯片麵積漏源導通電阻，並伴隨相對更高的漏源電阻。使用高單元密度和大管芯尺寸可實現較低的RDS(on)值zhi。但dan大da單dan元yuan密mi度du和he管guan芯xin尺chi寸cun還hai伴ban隨sui高gao柵zha極ji和he輸shu出chu電dian荷he，這zhe會hui增zeng加jia開kai關guan損sun耗hao和he成cheng本ben。另ling外wai還hai存cun在zai對dui於yu總zong矽gui片pian電dian阻zu能neng夠gou達da到dao多duo低di的de限xian製zhi。器qi件jian的de總zongRDS(on)可表示為通道、epi和襯底三個分量之和：

 

RDS(on) = Rch + Repi + Rsub

 

圖1：傳統平麵式MOSFET結構

 

圖2顯示平麵式MOSFET情況下構成RDS(on) 的各個分量。對於低壓MOSFET，三個分量是相似的。但隨著額定電壓增加
，外延層需要更厚和更輕摻雜

，以阻斷高壓。額定電壓每增加一倍，維持相同的RDS(on)所需的麵積就增加為原來的五倍以上。對於額定電壓為600V的MOSFET，超過95%的電阻來自外延層。顯然，要想顯著減小RDS(on)的值，就需要找到一種對漂移區進行重摻雜的方法，並大幅減小epi電阻。

 

圖2：平麵式MOSFET的電阻性元件

 

通常，高壓的功率MOSFET采用平麵型結構
，其中
，厚的低摻雜的N-的外延層
，即epi層，用來保證具有足夠的擊穿電壓
，低摻雜的N-的epi層的尺寸越厚，耐壓的額定值越大，但是其導通電阻也急劇的增大。導通電阻隨電壓以2.4-2.6次方增長，這樣
，就降低的電流的額定值。為了得到一定的導通電阻值，就必須增大矽片的麵積，成本隨之增加。如果類似於IGBT引yin入ru少shao數shu載zai流liu子zi導dao電dian
，可ke以yi降jiang低di導dao通tong壓ya降jiang
，但dan是shi少shao數shu載zai流liu子zi的de引yin入ru會hui降jiang低di工gong作zuo的de開kai關guan頻pin率lv
，並bing產chan生sheng關guan斷duan的de電dian流liu拖tuo尾wei
，從cong而er增zeng加jia開kai關guan損sun耗hao。

 

 

高壓的功率MOSFET的外延層對總的導通電阻起主導作用
，要想保證高壓的功率MOSFET具有足夠的擊穿電壓
，同時
，降低導通電阻，最直觀的方法就是：在器件關斷時，讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級，同時
，在器件導通時
，形成一個高摻雜N+區
，作為功率MOSFET導通時的電流通路，也就是將反向阻斷電壓與導通電阻功能分開，分別設計在不同的區域
，就可以實現上述的要求。

 

基於超結SuperJunction的內建橫向電場的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設計出的一種新型器件。內建橫向電場的高壓MOSFET的剖麵結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖3所示。英飛淩最先將這種結構生產出來，並為這種結構的MOSFET設計了一種商標CoolMOS
，這種結構從學術上來說
，通常稱為超結型功率MOSFET。

 

圖3：內建橫向電場的SuperJunction結構

 

垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間，當MOS關斷時，形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下麵的的P區不能形成反型層產生導電溝道
，P和垂直導電N+形成PN結反向偏置，PN結耗盡層增大，並建立橫向水平電場；同時，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，產生寬的耗盡層，並建立垂直電場。由於垂直導電N+區摻雜濃度高於外延區N-的摻雜濃度
，而且垂直導電N+區兩邊都產生橫向水平電場，這樣垂直導電的N+區整個區域基本上全部都變成耗盡層，即由N+變為N-，這樣的耗盡層具有非常高的縱向的阻斷電壓，因此
，器件的耐壓就取決於高摻雜P+區與低摻雜外延層N-區的耐壓。

 

當MOS導通時，柵極和源極的電場將柵極下的P區反型，在柵極下麵的P區產生N型導電溝道
，同時，源極區的電子通過導電溝道進入垂直的N+區，中和N+區的正電荷空穴，從而恢複被耗盡的N+型特性
，因此導電溝道形成，垂直N+區摻雜濃度高，具有較低的電阻率
，因此導通電阻低。

 

比較平麵結構和溝槽結構的功率MOSFET，可ke以yi發fa現xian，超chao結jie型xing結jie構gou實shi際ji是shi綜zong合he了le平ping麵mian型xing和he溝gou槽cao型xing結jie構gou兩liang者zhe的de特te點dian，是shi在zai平ping麵mian型xing結jie構gou中zhong開kai一yi個ge低di阻zu抗kang電dian流liu通tong路lu的de溝gou槽cao
，因yin此ci具ju有you平ping麵mian型xing結jie構gou的de高gao耐nai壓ya和he溝gou槽cao型xing結jie構gou低di電dian阻zu的de特te性xing。

 

內nei建jian橫heng向xiang電dian場chang的de高gao壓ya超chao結jie型xing結jie構gou與yu平ping麵mian型xing結jie構gou相xiang比bi較jiao，同tong樣yang麵mian積ji的de矽gui片pian可ke以yi設she計ji更geng低di的de導dao通tong電dian阻zu，因yin此ci具ju有you更geng大da的de額e定ding電dian流liu值zhi和he雪xue崩beng能neng量liang。由you於yu要yao開kai出chuN+溝槽，它的生產工藝比較複雜，目前N+溝槽主要有兩種方法直接製作：通過一層一層的外延生長得到N+溝槽和直接開溝槽。前者工藝相對的容易控製，但工藝的程序多，成本高
；後者成本低，但不容易保證溝槽內性能的一致性。

 

 

1
、關斷狀態

 

從圖4中可以看到
，垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間
，當MOS關斷時，也就是G極的電壓為0時，橫向形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下麵的的P區不能形成反型層產生導電溝道
，左邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置，右邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置，PN結耗盡層增大
，並建立橫向水平電場。

 

當中間的N+的滲雜濃度和寬度控製得合適，就可以將中間的N+完全耗盡
，如圖4(b)所示
，這樣在中間的N+就jiu沒mei有you自zi由you電dian荷he，相xiang當dang於yu本ben征zheng半ban導dao體ti，中zhong間jian的de橫heng向xiang電dian場chang極ji高gao，隻zhi有you外wai部bu電dian壓ya大da於yu內nei部bu的de橫heng向xiang電dian場chang，才cai能neng將jiang此ci區qu域yu擊ji穿chuan
，所suo以yi
，這zhe個ge區qu域yu的de耐nai壓ya極ji高gao
，遠yuan大da於yu外wai延yan層ceng的de耐nai壓ya，功gong率lvMOSFET管的耐壓主要由外延層來決定。

 

圖4：橫向電場及耗盡層

 

注意到
，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，有利於產生更寬的耗盡層，增加垂直電場。

 

2
、開通狀態

 

當G極加上驅動電壓時
，在G極的表麵將積累正電荷
，同時，吸引P區的電子到表麵，將P區表麵空穴中和，在柵極下麵形成耗盡層，如圖5示。隨著G極的電壓提高，柵極表麵正電荷增強，進一步吸引P區電子到表麵
，這樣，在G極下麵的P型的溝道區中，積累負電荷，形成N型的反型層，同時，由於更多負電荷在P型表麵積累，一些負電荷將擴散進入原來完全耗盡的垂直的 N+
，橫向的耗盡層越來越減小，橫向的電場也越來越小。G極的電壓進一步提高
，P區更寬範圍形成N型的反型層，最後，N+區域回到原來的高滲雜的狀態，這樣
，就形成的低導通電阻的電流路徑
，如圖5(c)所示。

 

圖5：超結型導通過程

 

另外還有一種介於平麵和超結型結構中間的類型，是AOS開發的一種專利結構，雖然電流密度低於超結型
，但抗大電流衝擊能力非常優異。

 

圖6：介於平麵和超結型結構中間的類型

 

超級結結構是高壓MOSFET技術的重大發展並具有顯著優點，其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時得到降低。為充分利用這些快速和高效器件，設計工程師需要非常注意其係統設計，特別是減小PCB寄生效應。超結MOS管產品主要有以下幾種應用：1）電腦、服務器的電源——更低的功率損耗；2）適配器（筆記本電腦，打印機等）——更輕、更便捷；3）照明（HID燈，工業照明，道路照明等）——更高的功率轉換效率；4）消費類電子產品（液晶電視
，等離子電視等）——更輕、更薄、更高能效。