功率器件的新結構及其性能特點

王 丹，關艷霞

（沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110178）

以功率器件為核心的現(xiàn)代電力電子器件，已成為人類生活必不可少的一部分。功率器件的應用范圍從軍用的導彈、航天、衛(wèi)星等到民用的汽車、電機驅動、焊機、UPS電源和通訊電源、家用電器等領域，可以說現(xiàn)代電力電子器件已經滲透到國計民生的各個領域。

功率MOSFET與IGBT是現(xiàn)代電力電子器件中重要的組成部分。功率MOSFET是多子導電型器件，具有輸入阻抗高、易驅動、速度快、頻率高，導通電阻具有正溫度系數，不存在由雙極晶體管中過熱引起的二次擊穿現(xiàn)象，SOA寬，利于并聯(lián)使用等特點。目前，功率MOSFET主要用于工業(yè)控制、航天、通信、汽車、計算機及便攜式電器、家電、辦公用品等領域。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）既具有MOSFET單極型器件輸入阻抗高，驅動功率小，響應速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件電流密度高，導通壓降低等優(yōu)點。它既可以作為開關器件使用，又可以作為提高耐壓能力和開關頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產品，深受電路設計者的歡迎，成為電力電子器件中很有前途的競爭者。IGBT在電機控制、中頻開關電源和逆變器、機器人、空調器以及要求快速低損耗的許多領域中有越來越廣泛的應用[1]。

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展與節(jié)能智能化的發(fā)展要求，電力電子器件正朝著高頻大功率、易驅動、智能化的方向發(fā)展。研究性能更好的器件已成為現(xiàn)代電力電子器件發(fā)展的必然趨勢。

新近出現(xiàn)的SJMOSFET與FS-IGBT器件則是以上兩類電力器件中的佼佼者。它們優(yōu)越的性能使其迅速成為電力電子器件的重要組成部分。SJMOSFET器件優(yōu)越的低導通電阻，高開關效率，良好的可靠性；FS型IGBT器件的開關損耗小，工作頻率高，通態(tài)壓降小，導通損耗降低等優(yōu)點使得它們迅速成為電力電子器件的重要組成部分。

這里將重點分析SJMOSFET與FS-IGBT器件的工作原理與特性，比較它們的優(yōu)缺點，以便研究出更好的電力電子器件。

1 SJMOSFET器件的結構與性能特征

由于導通電阻與擊穿電壓之間的固有矛盾 （即硅限理論），功率MOSFET的擊穿電壓主要取決于P阱與N-漂移區(qū)形成的PN結，要想獲得高耐壓就要求漂移區(qū)的厚度的增加以及較低的摻雜濃度，而這樣又導致導通電阻的大幅增加，因此大大限制傳統(tǒng)的功率MOSFET的進一步發(fā)展。為解決這一限制，自20世紀80年代末90年代初開始，提出一種全新的理論—“超結理論”（Superjunction Theory）[2]。

所謂超結，是指由交替的P柱區(qū)和N柱區(qū)所構成的耐壓層，其P柱區(qū)和N柱區(qū)必須滿足電荷平衡條件，即N柱區(qū)的濃度和寬度的乘積必須與P柱區(qū)中濃度和寬度的乘積相等。

SJMOSFET就是運用這一理論發(fā)展出來的新型功率MOSFET器件，其結構如圖1所示。與傳統(tǒng)類型的功率MOSFET器件一樣，SJMOSFET也是多子導電型器件。其開關損耗與傳統(tǒng)的功率MOSFET器件相同。P柱區(qū)的運用盡管對于導通狀態(tài)沒什么大的貢獻，但卻使N柱區(qū)（電壓支持層）的雜質摻雜濃度提高近一個數量級，即可以使在相同的擊穿電壓條件下，器件的導通電阻大大降低。且SJMOSFET在阻斷狀態(tài)下，由于耐壓層不僅存在著縱向PN結和橫向PN結，使得SJMOSFET在較小的漏極電壓下，整個耐壓層可以完全耗盡，類似于一個本征耐壓層，器件的耐壓得以提高。

SJMOSFET的耐壓是由P、N柱形成的超結來承擔的，由于P、N柱滿足電荷平衡條件，在發(fā)生擊穿之前整個柱區(qū)便會完全耗盡，因此SJMOSFET的耐壓可以表示為：

可通過控制柱區(qū)的長度來調節(jié)SJMOSFET的耐壓大小。

VDMOS結構可以等效為MOS結構和JFET的串聯(lián)。然而SJMOSFET可看作是VDMOS和超結結構的結合如圖1（b）所示。

圖1 SJMOSFET的基本單元結構及其等效電路

在SJMOSFET導通狀態(tài)，漏源電壓為正，由于源區(qū)與P阱區(qū)短路，所以也與P柱區(qū)等電位。隨著漏源電壓的增加，N柱區(qū)和P柱區(qū)開始耗盡。當漏源電壓增大到一定程度時，N柱區(qū)的耗盡層停止擴展。N柱區(qū)為電流的通道，負責傳導電子電流，相當于JFET的導電溝道，而P柱區(qū)則相當于加負電壓的柵極區(qū)?？梢?，SJMOSFET的P柱區(qū)和N柱區(qū)可等效為一個JFET區(qū)。圖2為VDMOS和SJMOSFET的導通電阻與擊穿電壓的關系曲線。

圖2 VDMOS和SJMOSFET的導通電阻與擊穿電壓的關系

由圖2可以看出，在相同條件的擊穿電壓下，SJMOSFET比傳統(tǒng)MOSFET的導通電阻顯著降低，甚至可以突破硅限，有效降低導通損耗。

盡管SJMOSFET有效地解決了導通電阻與耐壓之間的矛盾，使其具有導通電阻小、功耗低以及在相同導通電阻下器件面積小等特點。但是SJMOSFET同樣也存在兩個顯著的缺點：體二極管反向恢復硬度高和制造工藝難度大。

SJMOSFET中由于超結的存在 （在超結結構內存在一個體PIN二極管，在其工作時將起到反并聯(lián)續(xù)流二極管的作用），增大其體二極管的PN結面。在這個體二極管處于導通狀態(tài)時，大量過剩載流子貯存在電壓支持層中，使SJMOSFET具有很高的反向恢復電荷Qrr；同時，P柱區(qū)和N柱區(qū)構成的橫向PN結的存在又使得這些載流子迅速排出，導致dv/dt增大，從而引起反向恢復硬度高，相對于VDMOS結構其反向恢復特性較差；超結結構的實現(xiàn)是通過外延層生長和硼離子注入的交替進行。因此，形成超結結構的生長次數與成本的高低直接成正比，且因為超結MOSFET是一種電荷補償型器件，若內部不能做到電荷平衡，會使擊穿電壓顯著下降，這對工藝的要求很高，因此，目前的SJMOSFET產品還無法保證應用于上千伏的高壓[3]。

2 FS-IGBT器件的結構與性能特征

為突破硅限的限制，許多新結構器件不斷涌現(xiàn)，其中，IGBT器件也是比較成功的一種。在導通狀態(tài)時，由于大量少子的注入，使得漂移層的載流子濃度要比原始摻雜濃度高出幾個量級，電導調制開始起作用，使得漂移層電阻顯著降低。

IGBT可以說是MOS管與雙極型晶體管的復合器件。因此IGBT具有功率場效應晶體管高速，高輸入阻抗的特性，同時也具有雙極達林頓管飽和電壓低，電流大，耐壓高的特點。

由于引入了PN結的注入機制，在IGBT器件正向工作條件下注入少子時，高阻厚外延的N-區(qū)產生電導調制效應，降低了外延層的電阻率，從而減少了器件的導通電阻。但是同時也使得器件的關斷時間降低，造成較差的關斷特性并且產生了拖尾電流。IGBT還有一個致命的缺點—閂鎖效應。這些就極大限制了IGBT的進一步發(fā)展。

場截止FS型IGBT的出現(xiàn)是IGBT發(fā)展的一個新突破。FS型IGBT結合了PT型和NPT型兩類器件的優(yōu)點，形成硅片厚度比NPT型器件薄約1／3，既有效降低了漂移層的厚度，又保有關斷時低的載流子濃度且保持正電阻溫度系數特征的FS型結構的器件[4]。

如圖3所示[4]，NPT型IGBT的電場分布為三角形。經過改良后的FS型IGBT的電場分布是更為合理的斜角梯形分布。

圖3 NPT型IGBT與FS型IGBT的結構及電場分布圖

FS型IGBT的緩沖層比PT型結構的緩沖層摻雜濃度低，且P型襯底濃度也有所降低。由于襯底摻雜濃度低，關斷時電場上升主要取決于離子電荷濃度，上升的斜率則依賴于發(fā)射效率，于是電場的分布呈斜角梯形分布。緩沖層的摻雜濃度降低以及薄的P型襯底濃度使得FS型IGBT既保持相應的發(fā)射效率，漂移層中的過剩載流子減少，又使電場截止在該層。此外，它在關斷時沒有拖尾電流是其最大優(yōu)點。

對于FS IGBT器件，其場截止層應該在保持不降低集電極的注入效率的條件下，使得電場完全截止在該層，場截止層的總電荷量可以簡單由下式定義：

式中，dFSL為場截止層厚度，NFSL為截止層摻雜濃度，Ec為最大電場強度[4]。

與PT型IGBT不同，F(xiàn)S IGBT器件的 “緩沖層”NFSL的摻雜濃度一般在 1015～1016cm-3數量級。這樣既保證有效的注入效率，又可以在關斷時降低少子的復合消失時間，減少拖尾電流。

這種FS型的IGBT已經達到單管6 500 V的水平。采用FS結構的可比規(guī)格IGBT器件的通態(tài)壓降降低到1.3～1.5 V的理想水平。這種結構又被稱為弱穿通（LPT）結構。

FS-Trench IGBT是FS型的IGBT器件的進一步發(fā)展，它采用溝槽技術，優(yōu)化了器件表面的載流子分布，同時采用電場截止型緩沖層和低發(fā)射效率的P-發(fā)射極，優(yōu)化了N漂移區(qū)的載流子分布，其功率損耗比非穿通（NPT）型IGBT減少了25%[5]。

3 結束語

隨著全球能源需求的不斷增長以及環(huán)境保護意識的逐步提升，使得高效、節(jié)能產品成為電力電子器件市場發(fā)展的新趨勢。新型器件的開發(fā)與設計已成為功率器件發(fā)展與應用的必然趨勢。SJMOSFET具有導通電阻小、功耗低以及在相同導通電阻下器件面積小等特點。采用SJMOSFET的家用電器能耗可降低約30%。因此，發(fā)展SJMOSFET并將其應用到相關工業(yè)控制和家用及便攜式電器領域，將會對節(jié)能、環(huán)保有重要意義：FS-IGBT器件具有輸入阻抗高、通態(tài)壓降低、驅動電路簡單、安全工作區(qū)寬、電流處理能力強且?guī)缀鯚o拖尾電流等優(yōu)點，在電機控制、中頻開關電源和逆變器、機器人、空調器以及要求快速低損耗的領域中應用越來越廣泛[6]。

盡管由于工藝條件等限制，SJMOSFET與FS-IGBT器件的發(fā)展與應用理論研究的情況居多，但是隨著科技的不斷進度，工藝條件的不斷改善，理論實驗的不斷進行，SJMOSFET與FS-IGBT器件將有更廣闊的應用前景。

[1]李恩玲，周如培.IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀與應用[J].半導體雜志，1999，23（3）：48-51.

[2]Fujihira T.Theory of semiconductor superjunction devices[J].Jpn J Appl Phys，1997，36 （10）：54-62.

[3]田 波，程 序，亢寶位.超結理論的產生與發(fā)展及其對高壓MOSFET 器件設計的影響[J].中國集成電路，2008，17（8）：15-21.

[4]Kwang-Hoon Oh，Jaegil Lee Kyu-Hyun Lee.A simulation study on novel field stop IGBTs using superjunction[J].IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，2006，53 （4）：884-889.

[5]郭紅霞，楊金明.IGBT 的發(fā)展[J].電源世界，2006，51（6）：51-56.

[6]金千男，杜國同.功率VDMOSFET與IGBT的最新結構與性能特點 [J].吉林大學學報： 信息科學版，2004，22（6）：549-552.