超結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢

以下文章來源于老虎說芯，作者老虎說芯

背景知識(shí)

在我們進(jìn)入超結(jié)MOSFET的細(xì)節(jié)之前，我們先了解一些背景知識(shí)。

MOSFET，全稱金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect

Transistor)，是一種非常重要的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。它的基本作用是作為一個(gè)開關(guān)，控制電流的流動(dòng)。MOSFET有不同的類型，包括平面、溝槽等。今天要重點(diǎn)討論超結(jié)MOSFET(super junction mosfet)。

平面MOSFET的局限性

傳統(tǒng)的平面MOSFET有一些固有的缺點(diǎn)，尤其是在高電壓應(yīng)用中。這些缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在其導(dǎo)通電阻(R)和擊穿電壓(BV)的權(quán)衡關(guān)系上。簡單來說，平面MOSFET在高電壓下需要更厚的漂移區(qū)來承受高電壓，但這也會(huì)導(dǎo)致更高的導(dǎo)通電阻，從而增加功率損耗。

圖：平面MOS結(jié)構(gòu)

超結(jié)MOSFET的出現(xiàn)

為了克服平面MOSFET的局限性，超結(jié)MOSFET應(yīng)運(yùn)而生。超結(jié)MOSFET利用了一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯著降低了導(dǎo)通電阻，同時(shí)維持了高擊穿電壓。

超結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)

超結(jié)MOSFET的核心創(chuàng)新在于其“超結(jié)”結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)通過在垂直方向上交替排列的P型和N型區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)P型區(qū)域和其旁邊的N型區(qū)域共同構(gòu)成一個(gè)“超結(jié)單元”，這些單元在整個(gè)器件中交替排列。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得在導(dǎo)通狀態(tài)下，電流可以通過較低的電阻路徑流動(dòng)，同時(shí)在關(guān)斷狀態(tài)下仍然能夠承受高電壓。

圖：超結(jié)MOS

垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：與傳統(tǒng)的平面MOSFET不同，超結(jié)MOSFET采用垂直結(jié)構(gòu)，這意味著電流在器件中是垂直流動(dòng)的。這種設(shè)計(jì)能夠有效利用芯片的厚度來優(yōu)化電流的流動(dòng)路徑，從而降低導(dǎo)通電阻。

交替P型和N型區(qū)域：這些交替的區(qū)域在器件導(dǎo)通時(shí)形成了一個(gè)高效的電流通道，而在關(guān)斷時(shí)則能夠分擔(dān)電場，使得器件能夠承受更高的電壓。

超結(jié)MOSFET的優(yōu)勢

更低的導(dǎo)通電阻(R)：超結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著降低了導(dǎo)通電阻。這意味著在相同電壓等級(jí)下，超結(jié)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(dú)特的結(jié)構(gòu)，超結(jié)MOSFET在不增加芯片尺寸的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的擊穿電壓。這使得它在高壓應(yīng)用中表現(xiàn)得尤為出色。

更好的熱性能：超結(jié)MOSFET的低導(dǎo)通電阻也意味著更少的熱量產(chǎn)生，這對(duì)于需要長時(shí)間高效運(yùn)行的應(yīng)用來說是一個(gè)重要的優(yōu)勢。

超結(jié)MOSFET的應(yīng)用

超結(jié)MOSFET在多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在以下幾個(gè)方面：

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

電動(dòng)汽車(EV)：超結(jié)MOSFET被廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池管理系統(tǒng)中。它們的高效能和優(yōu)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(jié)MOSFET的性能優(yōu)勢使其成為這些系統(tǒng)中的理想選擇，能夠提高能量轉(zhuǎn)換效率，減少熱量損耗。

工業(yè)自動(dòng)化：在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，超結(jié)MOSFET被用于各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源管理應(yīng)用中。它們的高效能和高可靠性能夠確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

超結(jié)MOSFET的發(fā)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(shí)現(xiàn)更高的性能，從而進(jìn)一步降低成本和提高效率。

更優(yōu)的材料：新材料的研究和應(yīng)用會(huì)帶來超結(jié)MOSFET性能的進(jìn)一步提升。例如，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等新型半導(dǎo)體材料可能會(huì)在未來得到廣泛應(yīng)用。

更智能的控制技術(shù)：隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，超結(jié)MOSFET可能會(huì)在電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的應(yīng)用，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。