通过功率 MOSFET 技术创新加速提高效率

MOSFET 技术自问世以来就被广泛认为是电源管理电路中开关的选择。自 20 世纪 70 年代后期开始商用，垂直扩散 MOSFET (VDMOS) 结构率先满足了电源开关的需求。1由于其卓越的开关性能和高输入阻抗，MOSFET 迅速成为双极技术的有吸引力的替代品。然而，它在电力电子行业的应用受到高导通电阻的限制，这限制了 VDMOS 的电流处理能力。在中压 VDMOS 中，限制通道电流流入外延生长漂移区的本征通道电阻和 JFET 区域是总导通电阻 (RDS(on) ) 在漏极和源极之间（图 1a）。

克服这一限制需要十多年的器件设计和工艺工程进展，终导致了 1980 年代后期个沟槽栅极 MOSFET 的商业化。通过在垂直方向上移动通道，该器件概念能够在不对电流扩散产生负面影响的情况下减小单元间距。JFET 区域的虚拟消除显着降低了导通电阻（图 1b）。然而，单元密度的显着增加不仅使沟槽 MOSFET 成为平面技术的竞争替代品，而且也带来了显着的缺点。

栅极-漏极电容（与外延漂移区中的沟槽-栅极渗透有关）和栅极-源极电容（沟槽栅极和体/源扩散之间的总电容）随沟槽数量（即，随单元密度）线性增加。连同导通电阻的次线性缩放，这显着影响技术品质因数 (FOM) FOM g = R DS(on) × Q g。由于 MOSFET 通过其栅极端子进行独特控制，因此栅极驱动器电路必须提供总栅极电荷（Q g）需要打开晶体管。在高开关频率应用的情况下，的栅极电荷是可取的，因为它成比例地降低了驱动损耗。总栅极电荷的一部分与控制漏极电压瞬变的栅极到漏极电荷 (Q gd ) 相关联。较高的 Q gd会影响瞬态速度，增加开关损耗并迫使使用更长的死区时间。很明显，需要采取具体措施来减少总体栅极和栅极漏极电荷。

一个新时代始于引入电荷补偿结构，利用与超结器件相同的原理。引入使用绝缘深场板作为栅电极延伸的器件，可以在关闭状态下实现漂移区的横向耗尽（图 1c）。2横向耗尽改变了整个结构的电场分布，允许在更短的长度内阻断相同的电压。因为电场现在可以由更薄和更重掺杂的漂移区来支持，所以可以实现导通电阻的显着降低。值得注意的是，场板（作为栅电极的延伸）导致反向传输电容 C gd的显着增加（因此还有 Q gd和 Q g）以及对漏极电压的非线性依赖性。