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功率半導體中超結MOS管基礎知識

功率半導體中超結MOS管基礎知識

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-09-19 11:18:51 892

1. 背景知識

在我們進入超結MOSFET的細節之前，我們先了解一些背景知識。

MOSFET，全稱金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一種非常重要的電子元件，廣泛應用于各種電子電路中。它的基本作用是作為一個開關，控制電流的流動。MOSFET有不同的類型，包括平面、溝槽等。今天要重點討論超結MOSFET（super junction mosfet）。

2. 平面MOSFET的局限性

傳統的平面MOSFET有一些固有的缺點，尤其是在高電壓應用中。這些缺點主要體現在其導通電阻（R）和擊穿電壓（BV）的權衡關系上。簡單來說，平面MOSFET在高電壓下需要更厚的漂移區來承受高電壓，但這也會導致更高的導通電阻，從而增加功率損耗。

圖：平面MOS結構

3. 超結MOSFET的出現

為了克服平面MOSFET的局限性，超結MOSFET應運而生。超結MOSFET利用了一種創新的結構設計，顯著降低了導通電阻，同時維持了高擊穿電壓。

4. 超結MOSFET的結構

超結MOSFET的核心創新在于其“超結”結構。這個結構通過在垂直方向上交替排列的P型和N型區域來實現。每個P型區域和其旁邊的N型區域共同構成一個“超結單元”，這些單元在整個器件中交替排列。這種結構設計使得在導通狀態下，電流可以通過較低的電阻路徑流動，同時在關斷狀態下仍然能夠承受高電壓。

圖：超結MOS

垂直結構設計：與傳統的平面MOSFET不同，超結MOSFET采用垂直結構，這意味著電流在器件中是垂直流動的。這種設計能夠有效利用芯片的厚度來優化電流的流動路徑，從而降低導通電阻。

交替P型和N型區域：這些交替的區域在器件導通時形成了一個高效的電流通道，而在關斷時則能夠分擔電場，使得器件能夠承受更高的電壓。

5. 超結MOSFET的優勢

更低的導通電阻（R）：超結MOSFET的結構設計顯著降低了導通電阻。這意味著在相同電壓等級下，超結MOSFET能夠提供更高的效率，減少功率損耗。

更高的擊穿電壓（BV）：得益于其獨特的結構，超結MOSFET在不增加芯片尺寸的情況下，能夠實現更高的擊穿電壓。這使得它在高壓應用中表現得尤為*。

更好的熱性能：超結MOSFET的低導通電阻也意味著更少的熱量產生，這對于需要長時間高效運行的應用來說是一個重要的優勢。

6. 超結MOSFET的應用

超結MOSFET在多個領域中得到了廣泛應用，尤其是在以下幾個方面：

開關電源：超結MOSFET的低導通電阻和高擊穿電壓使其非常適合用于開關電源中，能夠提高轉換效率，減少能量損失。

電動汽車（EV）：超結MOSFET被廣泛應用于電機驅動和電池管理系統中。它們的高效能和優異的熱性能能夠提升整車的性能和可靠性。

光伏逆變器：光伏逆變器需要處理高電壓和大電流，超結MOSFET的性能優勢使其成為這些系統中的理想選擇，能夠提高能量轉換效率，減少熱量損耗。

工業自動化：在工業自動化領域，超結MOSFET被用于各種電機驅動和電源管理應用中。它們的高效能和高可靠性能夠確保設備的穩定運行。

7. 超結MOSFET的發展方向

更高的集成度：通過更高的集成度，可以在更小的芯片面積上實現更高的性能，從而進一步降低成本和提高效率。

更優的材料：新材料的研究和應用會帶來超結MOSFET性能的進一步提升。例如，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型半導體材料可能會在未來得到廣泛應用。

更智能的控制技術：隨著智能控制技術的發展，超結MOSFET可能會在電路設計中實現更高效、更智能的應用，提高系統的整體性能和可靠性。

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