Высоковольтные VD- и SJ-MOSFET: современный выбор для источников питания и инверторов

сегодня

Владислав Долгов (КОМПЭЛ)

Высоковольтные MOSFET-транзисторы являются ключевыми элементами современной силовой электроники. Они применяются в импульсных источниках питания, PFC-преобразователях, сварочных инверторах, зарядных устройствах, преобразователях частоты и в промышленной автоматике.

На рынке сформировались две основные технологии производства кремниевых MOSFET напряжением 500…1500 В: планарные (VD) устройства и с суперпереходом (SJ).

VD-MOSFET (планарные)

Vertical Diffused (VD-) MOSFET представляют собой классическую архитектуру силовых полевых транзисторов, в которой сток и исток расположены на противоположных сторонах кристалла (рисунок 1). Благодаря этому ток в них протекает вертикально через толщу кремния, формируя мощную дрейфовую область, способную выдерживать высокие электрические поля. Для изготовления таких транзисторов используется многоэтапный технологический процесс, обычно включающий в себя 5…8 слоев литографии, что позволяет точно формировать p- и n-области, затвор и контактные структуры. Эта технология отработана десятилетиями и отличается высокой повторяемостью параметров.

Рис. 1. Структура планарных VD-MOSFET

Ключевым преимуществом VD-MOSFET является возможность работы при очень высоком напряжении «сток-исток», вплоть до 1500 В. Это достигается за счет толстой подложки n-типа и планарного, то есть горизонтального расположения затвора, которое обеспечивает равномерное распределение электрического поля по объему кристалла. Такая структура дает высокую стойкость к лавинному пробою и хорошую устойчивость к импульсным перенапряжениям, что критично для промышленной силовой электроники.

Однако у планарной архитектуры есть и ограничения. Типовой шаг элементарных ячеек составляет около 20 мкм, что приводит к сравнительно крупному размеру кристалла. Большая площадь активной зоны означает более высокое сопротивление канала и увеличенные паразитные емкости, что ограничивает скорость переключения. Поэтому VD-MOSFET оптимальны для низко- и среднечастотных схем, где приоритетом является электрическая прочность и надежность, а не минимальные динамические потери (таблица 1). Именно поэтому такие транзисторы широко применяются в сварочных инверторах, источниках питания, высоковольтных DC/DC-преобразователях и драйверах индуктивных нагрузок.

Таблица 1. Сравнительные характеристики VD-MOSFET производства различных азиатских компаний

Super Junction MOSFET (с суперпереходом)

MOSFET с суперпереходом (Super Junction, SJ) используют более сложную вертикальную структуру, в которой в объеме кремния формируются чередующиеся высоколегированные столбцы n- и p-типа, уходящие почти на всю толщину подложки (рисунок 2). Такая архитектура обеспечивает существенно более однородное распределение электрического поля по толщине кристалла, тогда как в планарных MOSFET основная часть поля сосредоточена вблизи границы p- и n-областей. За счет этого в SJ-структуре можно повысить концентрацию легирующих примесей в дрейфовом n-слое и уменьшить габариты кристалла, не снижая уровень пробивного напряжения, что напрямую приводит к уменьшению сопротивления канала R_ds(on).

Рис. 2. Структура MOSFET с суперпереходом

Дополнительным эффектом суперперехода является возможность уменьшения размеров элементарных ячеек. Их типовой шаг составляет порядка 13 мкм, что почти вдвое меньше чем у планарных MOSFET. Снижение геометрических размеров приводит к уменьшению паразитных емкостей и, как следствие, к улучшению динамических характеристик. Это позволяет параллельно соединить большее число ячеек и улучшить токовые характеристики.

При этом технология Super Junction имеет и свои ограничения. Формирование глубоких p-колонн требует сложного многоэтапного процесса с большим числом слоев литографии, что повышает себестоимость кристалла. Кроме того, его уменьшенный размер приводит к более высокой плотности тока и ухудшению теплоотвода, что снижает устойчивость к лавинному пробою по сравнению с классическими планарными MOSFET.

Super Junction MOSFET с напряжениями 500…900 В и токами до десятков ампер в различных корпусах выпускаются ведущими китайскими производителями (таблица 2). Они широко применяются в корректорах коэффициента мощности, импульсных источниках питания, высокочастотных AC/DC- и DC/DC-преобразователях, серверных и телекоммуникационных блоках питания, а также в компактных энергоэффективных источниках питания, где критичны высокий КПД и компактные габариты.

Таблица 2. Сравнительные характеристики Super Junction MOSFET

Для серийных и промышленных применений критично использование оригинальных компонентов, выпускаемых производителями с подтвержденными системами менеджмента качества. С характеристиками VD-MOSFET и Super Junction MOSFET производства таких компаний, включая функционально совместимые аналоги, можно ознакомиться в каталоге КОМПЭЛ.

Дополнительные материалы

1. Полупроводниковые решения производства JSCJ
2. КОМПЭЛ – официальный дистрибьютор Shanghai Sunco Semiconductor
3. SiC MOSFET против традиционных IGBT: возможности и перспективы