什么是cool mosfet-cool mosfet与其他MOSFET的区别及优势等详解

cool mosfet介绍

什(shen)么(me)是cool mosfet，对(dui)于常规VDMOS 器(qi)件结构(gou)， Rdson 与BV 这一对(dui)矛(mao)盾(dun)关系，要(yao)想提高BV，都是从减小(xiao)EPI 参杂浓(nong)度着手，但是外延层(ceng)又是正向(xiang)电流(liu)流(liu)通的通道(dao)，EPI 参杂浓(nong)度减小(xiao)了(le)，电阻必然变大，Rdson 就大了(le)。Rdson直接决(jue)定着MOS 单(dan)体的损耗大小(xiao)。

所以对(dui)(dui)于普通VDMOS，两者矛盾不可调和，这(zhei)就是常规VDMOS的(de)(de)局限性(xing)。但(dan)是对(dui)(dui)于COOLMOS，这(zhei)个(ge)矛盾就不那么(me)明显了(le)。通过设(she)置一(yi)个(ge)深入EPI 的(de)(de)的(de)(de)P 区(qu)(qu)(qu)，大(da)大(da)提高了(le)BV，同时(shi)对(dui)(dui)Rdson 上(shang)不产生(sheng)影响。对(dui)(dui)于常规VDMOS，反向耐压，主(zhu)要靠的(de)(de)是N 型EPI 与(yu)body区(qu)(qu)(qu)界面的(de)(de)PN结，对(dui)(dui)于一(yi)个(ge)PN 结，耐压时(shi)主(zhu)要靠的(de)(de)是耗尽区(qu)(qu)(qu)承受，耗尽区(qu)(qu)(qu)内的(de)(de)电场大(da)小、耗尽区(qu)(qu)(qu)扩展的(de)(de)宽度的(de)(de)面积。

常(chang)规VDSMO，P body 浓度要(yao)大于N EPI，大家也(ye)应该清楚，PN 结(jie)(jie)耗尽(jin)区(qu)主要(yao)向低(di)参杂(za)一(yi)侧扩(kuo)(kuo)散，所以此结(jie)(jie)构下，P body 区(qu)域一(yi)侧，耗尽(jin)区(qu)扩(kuo)(kuo)展很小，基(ji)本(ben)对承(cheng)压没有多大贡献，承(cheng)压主要(yao)是P body－－N EPI 在N 型的一(yi)侧区(qu)域，这(zhei)个区(qu)域的电场(chang)(chang)强(qiang)度是逐(zhu)渐变(bian)化的，越是靠近PN 结(jie)(jie)面(mian)，电场(chang)(chang)强(qiang)度E越大。

对于(yu)(yu)COOLMOS 结(jie)构，由于(yu)(yu)设置了相(xiang)对P body 浓度低(di)一些的(de)P region 区(qu)(qu)域，所(suo)以P 区(qu)(qu)一侧(ce)的(de)耗尽区(qu)(qu)会(hui)大(da)大(da)扩展(zhan)，并且这个区(qu)(qu)域深入EPI 中(zhong)，造成(cheng)了PN 结(jie)两侧(ce)都能承受(shou)大(da)的(de)电(dian)压(ya)，换句话(hua)说，就是把峰值(zhi)电(dian)场Ec 由靠近(jin)器件(jian)表面，向器件(jian)内部(bu)深入的(de)区(qu)(qu)域移动了。

什么是cool mosfet的结构及P区制造方法

1、多次注入法

之所(suo)以采用(yong)多次(ci)(ci)注(zhu)(zhu)入，是由于P区需(xu)要(yao)深入到(dao)(dao)EPI中(zhong)，且要(yao)均匀分布，一次(ci)(ci)注(zhu)(zhu)入即使能注(zhu)(zhu)入到(dao)(dao)这么深，在这个深度中(zhong)的(de)分布也不会(hui)均匀，所(suo)以要(yao)采用(yong)多次(ci)(ci)注(zhu)(zhu)入法(fa)，如下图。

2、倾斜角度注入（STM技术）

除了多次(ci)注入(ru)法，能保证在EPI中注入(ru)这(zhei)么深，并且保证不同位置的(de)浓度(du)差异不大(da)的(de)方法还有 STM技术（Super trench MOSFET）。采用(yong)倾斜角度(du)注入(ru)，实现(xian)Super junction的(de)结构（STM）。

STM结(jie)构的(de)3D示意(yi)图(tu)

3、cool mosfet开深沟槽后外延生长填充形成P区

结构中纵(zong)向Ｐ型(xing)(xing)区的(de)形(xing)成方(fang)法(fa)，通过(guo)在Ｎ型(xing)(xing)外(wai)延(yan)上(shang)开深沟(gou)槽(cao)，然(ran)后(hou)(hou)再利用外(wai)延(yan)工艺(yi)在沟(gou)槽(cao)内生长(zhang)出Ｐ型(xing)(xing)单晶(jing)硅形(xing)成在Ｎ型(xing)(xing)外(wai)延(yan)上(shang)的(de)Ｐ型(xing)(xing)区域，然(ran)后(hou)(hou)通过(guo)回刻工艺(yi)将槽(cao)内生长(zhang)的(de)Ｐ型(xing)(xing)外(wai)延(yan)单晶(jing)刻蚀到与沟(gou)槽(cao)表面平齐，以形(xing)成ＣｏｏｌＭＯＳ的(de)纵(zong)向Ｐ型(xing)(xing)区域。该(gai)方(fang)法(fa)减少了工艺(yi)的(de)复杂(za)度和加工时(shi)间。

什么是cool mosfet-cool mosfet与其他MOSFET的区别

（1）结构上的区别

平(ping)面水平(ping)沟道的(de)MOSFET的(de)结构如下图所(suo)示。

平面水平沟道的MOSFET

它的(de)源极(ji)S、漏极(ji)D和(he)栅极(ji)G都处(chu)在硅单晶(jing)的(de)同一(yi)侧，当(dang)栅极(ji)处(chu)于适(shi)当(dang)正电(dian)(dian)位时(shi)，其二氧(yang)化硅层下(xia)面(mian)(mian)的(de)晶(jing)体表面(mian)(mian)区(qu)由P型(xing)(xing)变为N型(xing)(xing)（反(fan)型(xing)(xing)层），形成(cheng)N型(xing)(xing)导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)。平面(mian)(mian)水(shui)平沟(gou)道(dao)(dao)的(de)MOSFET在LSI（大规模集成(cheng)电(dian)(dian)路）里(li)得到(dao)了(le)广泛的(de)应用。MOSFET的(de)理论里(li)，要得到(dao)大的(de)功率处(chu)理能(neng)力(li)，要求(qiu)有(you)很高的(de)沟(gou)道(dao)(dao)宽长比W/L，而平面(mian)(mian)水(shui)平沟(gou)道(dao)(dao)的(de)MOSFET的(de)沟(gou)道(dao)(dao)长L不能(neng)太(tai)小，因此只(zhi)能(neng)增大芯(xin)片面(mian)(mian)积(ji)，这很不经济。所以其一(yi)直(zhi)停留在几十伏电(dian)(dian)压，几十毫安电(dian)(dian)流的(de)水(shui)平。

平面水(shui)平沟道(dao)的(de)MOSFET的(de)大功率(lv)处理能力的(de)低(di)下(xia)促使(shi)了垂直导电型(xing)MOSFET（VMOSFET）的(de)出现，VMOSFET分为VVMOSFET和VDMOSFET两种结构，比较常用的(de)是VDMOSFET，其结构如下(xia)两个图所示。

VVMOSFET结构图(tu)

VDMOSFET结构图(tu)

VVMOSFET是利用V型槽来实现(xian)垂直(zhi)导(dao)电(dian)的，当(dang)Vgs大于(yu)0时，在V型槽外(wai)壁与硅表面接触(chu)的地方(fang)形成(cheng)一个电(dian)场，P区和(he)N＋区域的电(dian)子受到吸(xi)引，当(dang)Vgs足(zu)够大时，就会(hui)形成(cheng)N型导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)，使漏源(yuan)极之间(jian)有电(dian)流流过。

VDMOSFET的栅极(ji)结(jie)构(gou)为平面(mian)式，当Vgs足够(gou)大时，两个源(yuan)(yuan)极(ji)之(zhi)间(jian)会形成(cheng)N型导电沟(gou)道(dao)，使(shi)漏源(yuan)(yuan)极(ji)之(zhi)间(jian)有电流流过。

VDMOSFET比(bi)VVMOSFET更易获得(de)高(gao)的耐压(ya)和(he)极限频率(lv)，因此(ci)在大功(gong)率(lv)场合得(de)到更多应用(yong)，我们在整流模块(kuai)中常用(yong)的MOSFET都(dou)是VDMOSFET。

在高(gao)截止电(dian)压的VDMOSFET中，通态电(dian)阻的95％由N－外延区的电(dian)阻决(jue)定。因此(ci)，为(wei)了降(jiang)低通态电(dian)阻，人们(men)想了种种办(ban)法来(lai)降(jiang)低N－外延区的电(dian)阻，有两种方法得到应用，这就是(shi)沟道(dao)式栅极MOSFET和Cool MOSFET，它们(men)的结(jie)构分别如下两个(ge)图所示。

沟道式栅(zha)极MOSFET结(jie)构(gou)图

沟道式(shi)栅极MOSFET是将VDMOSFET中的“T”导电(dian)通(tong)路(lu)缩短(duan)为两条平行的垂(chui)直型导电(dian)通(tong)路(lu)，从(cong)而降低通(tong)态(tai)电(dian)阻。

 Cool MOSFET结构图

Cool MOSFET则是(shi)(shi)两个垂(chui)直(zhi)P井(jing)条(tiao)(tiao)之间的(de)垂(chui)直(zhi)高(gao)掺杂N＋扩散区域为(wei)电子(zi)提(ti)供了(le)(le)低阻通(tong)路，从而降低通(tong)态(tai)电阻。较(jiao)低浓度的(de)两个垂(chui)直(zhi)P井(jing)条(tiao)(tiao)主要是(shi)(shi)为(wei)了(le)(le)耐压而设计(ji)的(de)。Cool MOSFET的(de)通(tong)态(tai)电阻为(wei)普通(tong)的(de)VDMOSFET的(de)1/5，开关损耗因此减为(wei)普通(tong)的(de)VDMOSFET的(de)1/2，但是(shi)(shi)Cool MOSFET固有的(de)反向恢复特性的(de)动态(tai)特性不佳。

（2）主要电气性能比较

Cool MOSFET和其(qi)他MOSFET种类繁多，为(wei)了能(neng)有(you)一个直观的印象，现对SPP20N60CFD（Cool MOSFET）、IRFP460LC、IRFPC60LC、IXFH40N50进行(xing)主要(yao)电气性能(neng)比较，见表1。

表1 SPP20N60CFD、IRFP460LC、IRFPC60LC、IXFH40N50主(zhu)要(yao)电气性能比较

从表1可以看出，Cool MOSFET的优点是：

1、通态电阻小(xiao)，通态损(sun)耗小(xiao) 

2、同等(deng)功(gong)率下封(feng)装小(xiao)，有利于电(dian)源(yuan)小(xiao)型(xing)化(hua) 

3、栅极开启(qi)电(dian)压限高，抗干扰能(neng)力(li)强 

4、栅(zha)极电荷小(xiao)，驱(qu)动功率小 

5、节电容小，开关(guan)损(sun)耗小。

Cool MOSFET的缺点是：

1、热阻(zu)大(da)，同等(deng)耗散功(gong)率下温升高 

2、能(neng)通过的直流电(dian)流和脉冲电(dian)流小。

（3）主要电气性能差异的原因

Cool MOSFET和(he)其他(ta)MOSFET主要(yao)电气性能上(shang)的(de)差异是由它(ta)们结构上(shang)的(de)差异导(dao)致的(de)。

Cool-MOS的优势

什么是cool mosfet，cool mosfet的优(you)势有哪些？

1.通态阻抗小，通态损耗小

由于SJ-MOS 的(de)Rdson 远远低于VDMOS，在系统电源(yuan)类产品(pin)(pin)中SJ-MOS 的(de)导通(tong)损(sun)耗必然(ran)较之VDMOS要减少(shao)的(de)多。其大(da)(da)大(da)(da)提(ti)高(gao)了系统产品(pin)(pin)上(shang)面的(de)单(dan)体MOSFET 的(de)导通(tong)损(sun)耗，提(ti)高(gao)了系统产品(pin)(pin)的(de)效(xiao)率，SJ-MOS的(de)这个优点在大(da)(da)功率、大(da)(da)电流类的(de)电源(yuan)产品(pin)(pin)产品(pin)(pin)上(shang)，优势表现的(de)尤为(wei)突出。

2.同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高

首(shou)先，同等电流以(yi)及电压规(gui)格(ge)条件下，SJ-MOS 的(de)晶源(yuan)面积要小于VDMOS 工艺的(de)晶源(yuan)面积，这样(yang)作为MOS 的(de)厂家，对于同一规(gui)格(ge)的(de)产品，可以(yi)封装出来体积相(xiang)对较小的(de)产品，有利于电源(yuan)系统功(gong)率密度的(de)提高。

其次，由(you)于(yu)SJ-MOS 的(de)(de)(de)导通损(sun)耗的(de)(de)(de)降(jiang)低(di)从(cong)而降(jiang)低(di)了(le)电(dian)源类(lei)产品的(de)(de)(de)损(sun)耗，因为这(zhei)些损(sun)耗都是以热量的(de)(de)(de)形式散(san)发出去，我们在(zai)实(shi)际(ji)中往(wang)往(wang)会增加散(san)热器来降(jiang)低(di)MOS 单体的(de)(de)(de)温(wen)升，使(shi)其保(bao)证在(zai)合适(shi)的(de)(de)(de)温(wen)度范围(wei)内(nei)。由(you)于(yu)SJ-MOS 可(ke)以有效(xiao)的(de)(de)(de)减少发热量，减小了(le)散(san)热器的(de)(de)(de)体积(ji)，对(dui)于(yu)一(yi)些功(gong)(gong)率(lv)稍低(di)的(de)(de)(de)电(dian)源，甚至使(shi)用(yong)SJ-MOS 后可(ke)以将散(san)热器彻底拿掉。有效(xiao)的(de)(de)(de)提高了(le)系(xi)统电(dian)源类(lei)产品的(de)(de)(de)功(gong)(gong)率(lv)密度。

3.栅电荷小，对电路的驱动能力要求降低

传统(tong)(tong)VDMOS 的(de)(de)栅电(dian)荷(he)相(xiang)(xiang)对较大，我们在实际应用中经常会遇(yu)到由于IC 的(de)(de)驱(qu)动(dong)能(neng)力不足造(zao)成的(de)(de)温升问题，部分产品在电(dian)路(lu)设计中为了(le)增(zeng)(zeng)加(jia)IC 的(de)(de)驱(qu)动(dong)能(neng)力，确(que)保MOSFET 的(de)(de)快速导通，我们不得(de)不增(zeng)(zeng)加(jia)推(tui)挽或其它类(lei)型的(de)(de)驱(qu)动(dong)电(dian)路(lu)，从而增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)电(dian)路(lu)的(de)(de)复杂(za)性。SJ-MOS 的(de)(de)栅电(dian)容相(xiang)(xiang)对比(bi)较小(xiao)，这样就(jiu)可以(yi)降(jiang)低其对驱(qu)动(dong)能(neng)力的(de)(de)要求，提高(gao)了(le)系统(tong)(tong)产品的(de)(de)可靠性。

4.节电容小，开关速度加快，开关损耗小

由于(yu)SJ-MOS 结构的(de)(de)(de)改(gai)变(bian)，其(qi)输出的(de)(de)(de)节(jie)电(dian)(dian)容也(ye)有较大(da)(da)的(de)(de)(de)降低(di)，从而(er)降低(di)了(le)其(qi)导(dao)通及关(guan)断过程中(zhong)的(de)(de)(de)损耗。同时由于(yu)SJ-MOS 栅电(dian)(dian)容也(ye)有了(le)响(xiang)应的(de)(de)(de)减小，电(dian)(dian)容充(chong)电(dian)(dian)时间变(bian)短(duan)，大(da)(da)大(da)(da)的(de)(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)了(le)SJ-MOS 的(de)(de)(de)开(kai)(kai)关(guan)速(su)度。对于(yu)频率(lv)固定的(de)(de)(de)电(dian)(dian)源(yuan)来说，可以(yi)有效的(de)(de)(de)降低(di)其(qi)开(kai)(kai)通及关(guan)断损耗。提(ti)(ti)高(gao)整个电(dian)(dian)源(yuan)系统的(de)(de)(de)效率(lv)。这(zhei)一点尤其(qi)在频率(lv)相对较高(gao)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)源(yuan)上，效果(guo)更加明显。

cool mosfet系统应用可能会出现的问题

1、纹波噪音差

由(you)于SJ-MOS 拥有较高的(de)(de)dv/dt 和(he)di/dt，必然(ran)会将MOSFET 的(de)(de)尖峰通过变压器耦合到次级，直(zhi)接(jie)造成输出的(de)(de)电压及电流的(de)(de)纹波(bo)增加。甚(shen)至造成电容的(de)(de)温升失(shi)效问(wen)题的(de)(de)产生(sheng)。

2、抗浪涌及耐压能力差

由于SJ-MOS 的(de)(de)结构原因，很多厂商(shang)的(de)(de)SJ-MOS 在实际(ji)应用推广替代VDMOS 的(de)(de)过程中，基本都出现(xian)过浪(lang)涌(yong)及耐压测试不合格的(de)(de)情况(kuang)。这(zhei)种情况(kuang)在通信电源(yuan)及雷击要求较高的(de)(de)电源(yuan)产品上，表(biao)现(xian)的(de)(de)更为突出。这(zhei)点必(bi)须引(yin)起(qi)我们的(de)(de)注意。

3、漏源极电压尖峰比较大

尤其(qi)在反激的(de)(de)电(dian)(dian)路拓扑电(dian)(dian)源(yuan)，由(you)于(yu)本身电(dian)(dian)路的(de)(de)原因，变(bian)压(ya)(ya)器的(de)(de)漏感(gan)、散热器接(jie)地(di)、以及(ji)电(dian)(dian)源(yuan)地(di)线的(de)(de)处理等问(wen)题，不可避免的(de)(de)要在MOSFET 上(shang)产生相应的(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)尖(jian)峰。针对这样的(de)(de)问(wen)题，反激电(dian)(dian)源(yuan)大多选用(yong)RCD SUNBER 电(dian)(dian)路进(jin)行吸收(shou)。由(you)于(yu)SJ-MOS 拥有(you)较快的(de)(de)开关速度，势必会造成(cheng)更高(gao)的(de)(de)VDS 尖(jian)峰。如果(guo)反压(ya)(ya)设计余量太小及(ji)漏感(gan)过(guo)大，更换(huan)SJ-MOS 后，极有(you)可能出现(xian)VD 尖(jian)峰失效问(wen)题。

4、EMI可能超标

由于SJ-MOS 拥有较(jiao)小(xiao)的(de)寄生电容，造就了超级(ji)结MOSFET 具有极快(kuai)的(de)开(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)特性。因为这(zhei)种快(kuai)速(su)开(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)特性伴有极高(gao)的(de)dv/dt 和di/dt，会(hui)通过(guo)器件和印刷电路板(ban)(ban)中的(de)寄生元件而影响开(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)性能。对于在现代高(gao)频开(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)电源来说，使用(yong)了超级(ji)结MOSFET，EMI 干(gan)扰(rao)肯定会(hui)变大(da)，对于本身设计(ji)余量比较(jiao)小(xiao)的(de)电源板(ban)(ban)，在SJ-MOS 在替换(huan)VDMOS 的(de)过(guo)程(cheng)中肯定会(hui)出现EMI 超标(biao)的(de)情况。

5、栅极震荡

功率MOSFET 的引(yin)线电感和(he)寄生电容引(yin)起的栅(zha)极(ji)振铃(ling)，由于超级(ji)结MOSFET 具有较高(gao)的开关dv/dt。其震(zhen)荡现象会更(geng)加突出。这种震(zhen)荡在启动状态、过载(zai)状况和(he)MOSFET 并(bing)联(lian)工(gong)作时，会发生严重(zhong)问(wen)题(ti)，导致MOSFET失效的可(ke)能。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系(xi)地址：深圳市福田(tian)区车公庙天安数(shu)码城(cheng)天吉大厦CD座5C1

请搜微(wei)信公(gong)众(zhong)号:“KIA半(ban)导体”或扫一扫下图“关注”官方微(wei)信公(gong)众(zhong)号

请“关注(zhu)”官方微信公众号:提(ti)供 MOS管 技术帮助