半导体功率器件的高压终端结设计

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1、万方数据第一章绪论作为电压控制器件，当在栅极(G)和源极(S)加正向偏压‰时，与栅极对应的一侧将形成等量的电子分布，其中也包括P型的体区，当栅源电压增加到阂值电压‰时，P型体区反型形AN型，这一反型沟道为栅极电流提供了通道。此时在漏极(Drain，D)和源极加上正向偏压K。，使源端的电子通过反型沟道流向漏端形成漏电流jD，如图1．1(b)所示，此时整个器件处于导通状态。通过控制％。的大小即可控制反型层所形成的沟道的大小，继而控制，n大小。由于VDMOSFET是多子(电子)导电器件，因此不存在少子存储效应，开关速度较快，开

2、关损耗小，工作频率高。GL—e／ee中bJ————————————，／7●、、、．————————一N+D图1．1(b)当栅压达到阈值电压，P型体区反型器件导通的示意图当坛。为零偏时，导电沟道消失，加正向的％。相当于使-j"P+N。这一组PN结反偏，器件处于阻断状态，此时主要由轻掺杂的漂移层N’区承担电压，因此若要提高VDMOSFET的耐压能力，提高击穿电压，势必要降低N‘区的掺杂浓度且增加漂移层的厚度，这就使导通时的电阻R。增加，进而导致通态功耗增加。VDMOSFET主要应用于开关稳压电源，在变换器中充当功率转换的作用

3、，以及在集成电路中直接受逻辑电压的驱动输出电流带动后续执行部件。作为功率器件，低功耗和耐压性是其基本的要求，在实际应用中通常都需要数量众多功率器件的同时运作，因此单个器件功耗的降低可以很大程度上的降低整体器件的功耗，实现节能环保的目的。但是由于硅限(兄。0(2％25)【6】的存在，如与击穿电压相互制约，使功率MOSFET的发展在上世纪八十年代末陷入了瓶颈。I．3．2超结MOSFET1988年，D．J．Coe[7】首次提出在横向双扩撒MOSFET(LateralDouble．Diffused万方数据第一章绪论MOSFET，

4、LDMOSFET)中使用交替的p．n结结构取代传统功率MOSFEThb的低掺杂漂移层，并就此申请美国专利。1993年，我国电子科技大学的陈星弼教授提出在纵向功率器件尤其是VDMOSFET中运用多个P．n结结构作为漂移层的理念，称之为“复合缓冲层”(CompositeBufferLayer)【81’同时也申请了美国专利。两年后，西门子公司的J．Tihanyi【9】同样就类似想法和应用申请美国专利。1997年，Tatsuhiko等人提出的“超结理论”Super-junctionTheory)txol贝u是对以上想法的总结，并

5、对超结的三维结构进行了系统的理论计算和分析，从而使得超结这一概念在被学术界接受并广为流传。次年，超结理论在英飞凌公司推出的CoolMOSTM产品中得到应用。这一器件工作电压范围在600v至Usoov，其主要意义就是突破了硅限，在相同的芯片面积及击穿电压的前提下，将兄。降低了5到10倍。图1．2(a)是超结MOSFET(Super-junctionMOSFET)的单一元胞剖面示意图，对比图1．1(a)可以发现，超结MOSFET就是用交替的P柱和N柱取代了VDMOSFET中单一的N漂移层。两者在导通时的工作原理是相似的，如图

6、1．2(b)所示，加正向的坛。使P型体区中反型产生沟道，并加正向的％。使电子从源极流出通过N柱到达漏端，形成，。，从而器件导通。当％。零偏时，加正向的％。，器件阻断。但是不同于VDMOSFET，在超结MOSFET中，交替的高掺杂(相对于原来VDMOSFET中漂移层浓度高了一个数量级)P柱和N柱取代原本低掺杂的漂移区，因此％。在横向P柱和N柱方向也建立了电场。由于P柱和N柱的宽度远小于整个漂移层的厚度，所以在较低的电压下就已经完全耗尽，形成恒定的横向的电场，起到电压支持层的作用【1卜12】。因此，超结器件的耐压能力只取决于

7、漂移层的厚度，而不需要改变漂移层的掺杂浓度，从而打破了硅限，得到R。与击穿电压圪的关系下【13．15】：兄。OC％1’32(1．1)作为多子器件，超结MOSFET的导通电流由电子提供，没有少子的参与使超结器件的开关损耗与传统的功率MOSFET相同。此外，由于超结的漂移层掺杂浓度要比传统的VDMOSFET高出一个数量级，因此，在相同的击穿电压下，超结MOSFET的如比传统的功率MOSFET要低5～10倍，从而大大降低了通态功耗。4万方数据第一章绪论图1．2(a)超结MOSFET的cell剖面示意图”S了【浒一．1e．．J，

8、e＼e【酣jH／／{＼卧e!ee9eP．牛P-e：e兮eleI审tN+图1．2(b)超结MOSFET的cell导通时的剖面示意图1．4IGBT的结构及工作原理IGBTtl61是由功率MOSFET并I]功率BJT复合而成的～种电压控制的双极型器件。IGBT综合了功率BJT和功率MOSFET的优点，具有输入阻抗高、开关速