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功率半导体中超结MOS管基础知识

功率半导体中超结MOS管基础知识

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-19 11:18:51 909

1. 背景知识

在我们进入超结MOSFET的细节之前，我们先了解一些背景知识。

MOSFET，全称金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一种非常重要的电子元件，广泛应用于各种电子电路中。它的基本作用是作为一个开关，控制电流的流动。MOSFET有不同的类型，包括平面、沟槽等。今天要重点讨论超结MOSFET（super junction mosfet）。

2. 平面MOSFET的局限性

传统的平面MOSFET有一些固有的缺点，尤其是在高电压应用中。这些缺点主要体现在其导通电阻（R）和击穿电压（BV）的权衡关系上。简单来说，平面MOSFET在高电压下需要更厚的漂移区来承受高电压，但这也会导致更高的导通电阻，从而增加功率损耗。

图：平面MOS结构

3. 超结MOSFET的出现

为了克服平面MOSFET的局限性，超结MOSFET应运而生。超结MOSFET利用了一种创新的结构设计，显著降低了导通电阻，同时维持了高击穿电压。

4. 超结MOSFET的结构

超结MOSFET的核心创新在于其“超结”结构。这个结构通过在垂直方向上交替排列的P型和N型区域来实现。每个P型区域和其旁边的N型区域共同构成一个“超结单元”，这些单元在整个器件中交替排列。这种结构设计使得在导通状态下，电流可以通过较低的电阻路径流动，同时在关断状态下仍然能够承受高电压。

图：超结MOS

垂直结构设计：与传统的平面MOSFET不同，超结MOSFET采用垂直结构，这意味着电流在器件中是垂直流动的。这种设计能够有效利用芯片的厚度来优化电流的流动路径，从而降低导通电阻。

交替P型和N型区域：这些交替的区域在器件导通时形成了一个高效的电流通道，而在关断时则能够分担电场，使得器件能够承受更高的电压。

5. 超结MOSFET的优势

更低的导通电阻（R）：超结MOSFET的结构设计显著降低了导通电阻。这意味着在相同电压等级下，超结MOSFET能够提供更高的效率，减少功率损耗。

更高的击穿电压（BV）：得益于其独特的结构，超结MOSFET在不增加芯片尺寸的情况下，能够实现更高的击穿电压。这使得它在高压应用中表现得尤为 .。

更好的热性能：超结MOSFET的低导通电阻也意味着更少的热量产生，这对于需要长时间高效运行的应用来说是一个重要的优势。

6. 超结MOSFET的应用

超结MOSFET在多个领域中得到了广泛应用，尤其是在以下几个方面：

开关电源：超结MOSFET的低导通电阻和高击穿电压使其非常适合用于开关电源中，能够提高转换效率，减少能量损失。

电动汽车（EV）：超结MOSFET被广泛应用于电机驱动和电池管理系统中。它们的高效能和优异的热性能能够提升整车的性能和可靠性。

光伏逆变器：光伏逆变器需要处理高电压和大电流，超结MOSFET的性能优势使其成为这些系统中的理想选择，能够提高能量转换效率，减少热量损耗。

工业自动化：在工业自动化领域，超结MOSFET被用于各种电机驱动和电源管理应用中。它们的高效能和高可靠性能够确保设备的稳定运行。

7. 超结MOSFET的发展方向

更高的集成度：通过更高的集成度，可以在更小的芯片面积上实现更高的性能，从而进一步降低成本和提高效率。

更优的材料：新材料的研究和应用会带来超结MOSFET性能的进一步提升。例如，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新型半导体材料可能会在未来得到广泛应用。

更智能的控制技术：随着智能控制技术的发展，超结MOSFET可能会在电路设计中实现更高效、更智能的应用，提高系统的整体性能和可靠性。

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