COOLMOS與VDMOS的結構差異
 

為了克服傳統(tǒng)MOS導通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，一些人在VDMOS基礎上提出了一種新型的理想器件結構，稱為超結器件或COOLMOS，COOLMOS的結構如圖2所示，其由一些列的P型和N型半導體薄層交替排列組成。在截止態(tài)時，由于P型和N型層中的耗盡區(qū)電場產(chǎn)生相互補償效應，使P型和N型層的摻雜濃度可以做的很高而不會引起器件擊穿電壓的下降。導通時，這種高濃度的摻雜可以使其導通電阻顯著下降，大約有兩個數(shù)量級。因為這種特殊的結構，使得COOLMOS的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的VDMOS.
 

 

對于常規(guī)VDMOS器件結構， Rdson與BV這一對矛盾關系，要想提高BV，都是從減小EPI參雜濃度著手，但是外延層又是正向電流流通的通道，EPI參雜濃度減小了，電阻必然變大，Rdson就大了。Rdson直接決定著MOSFET單體的損耗大小。所以對于普通VDMOS，兩者矛盾不可調(diào)和，這就是常規(guī)VDMOS的局限性。 但是對于COOLMOS，這個矛盾就不那么明顯了。通過設置一個深入EPI的的P區(qū)，大大提高了BV，同時對Rdson上不產(chǎn)生影響。對于常規(guī)VDMOS，反向耐壓，主要靠的是N型EPI與body區(qū)界面的PN結，對于一個PN結，耐壓時主要靠的是耗盡區(qū)承受，耗盡區(qū)內(nèi)的電場大小、耗盡區(qū)擴展的寬度的面積。

常規(guī)VDSMO，P body濃度要大于N EPI，大家也應該清楚，PN結耗盡區(qū)主要向低參雜一側擴散，所以此結構下，P body區(qū)域一側，耗盡區(qū)擴展很小，基本對承壓沒有多大貢獻，承壓主要是P body－－N EPI在N型的一側區(qū)域，這個區(qū)域的電場強度是逐漸變化的，越是靠近PN結面，電場強度E越大。對于COOLMOS結構，由于設置了相對P body濃度低一些的P region區(qū)域，所以P區(qū)一側的耗盡區(qū)會大大擴展，并且這個區(qū)域深入EPI中，造成了PN結兩側都能承受大的電壓，換句話說，就是把峰值電場Ec由靠近器件表面，向器件內(nèi)部深入的區(qū)域移動了。
 

COOLMOS系統(tǒng)應用可能會出現(xiàn)的問題
 

1、EMI可能超標。
由于SJ-MOS擁有較小的寄生電容，造就了超級結MOSFET具有極快的開關特性。因為這種快速開關特性伴有極高的dv/dt和di/dt，會通過器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開關性能。對于在現(xiàn)代高頻開關電源來說，使用了超級結MOSFET，EMI干擾肯定會變大，對于本身設計余量比較小的電源板，在SJ-MOS在替換VDMOS的過程中肯定會出現(xiàn)EMI超標的情況。

2、柵極震蕩。
功率MOSFET的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴，由于超級結MOSFET具有較高的開關dv/dt。其震蕩現(xiàn)象會更加突出。這種震蕩在啟動狀態(tài)、過載狀況和MOSFET并聯(lián)工作時，會發(fā)生嚴重問題，導致MOSFET失效的可能。

3、抗浪涌及耐壓能力差。
由于SJ-MOS的結構原因，很多廠商的SJ-MOS在實際應用推廣替代VDMOS的過程中，基本都出現(xiàn)過浪涌及耐壓測試不合格的情況。這種情況在通信電源及雷擊要求較高的電源產(chǎn)品上，表現(xiàn)的更為突出。這點必須引起我們的注意。

4、漏源極電壓尖峰比較大。
MOSFET目前使用的客戶主要是反激的電路拓撲，由于本身電路的原因，變壓器的漏感、散熱器接地、以及電源地線的處理等問題，不可避免的要在MOSFET上產(chǎn)生相應的電壓尖峰。針對這樣的問題，反激電源大多選用RCD SUNBER電路進行吸收。由于SJ-MOS擁有較快的開關速度，勢必會造成更高的VDS尖峰。如果反壓設計余量太小及漏感過大，更換SJ-MOS后，極有可能出現(xiàn)VD尖峰失效問題。

5、紋波噪音差。
由于SJ-MOS擁有較高的dv/dt和di/dt，必然會將MOSFET的尖峰通過變壓器耦合到次級，直接造成輸出的電壓及電流的紋波增加。甚至造成電容的溫升失效問題的產(chǎn)生。

COOLMOS在電源上應用的優(yōu)點總結
 

1、通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小。
由于SJ-MOS的Rdson遠遠低于VDMOS，在系統(tǒng)電源類產(chǎn)品中SJ-MOS的導通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)品上面的單體MOSFET的導通損耗，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的效率，SJ-MOS的這個優(yōu)點在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上，優(yōu)勢表現(xiàn)的尤為突出。

2、同等功率規(guī)格下封裝小，有利于功率密度的提高。
首先，同等電流以及電壓規(guī)格條件下，SJ-MOS的晶源面積要小于VDMOS工藝的晶源面積，這樣作為MOS的廠家，對于同一規(guī)格的產(chǎn)品，可以封裝出來體積相對較小的產(chǎn)品，有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高。
 

其次，由于SJ-MOS的導通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗，因為這些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，我們在實際中往往會增加散熱器來降低MOS單體的溫升，使其保證在合適的溫度范圍內(nèi)。由于SJ-MOS可以有效的減少發(fā)熱量，減小了散熱器的體積，對于一些功率稍低的電源，甚至使用SJ-MOS后可以將散熱器徹底拿掉。有效的提高了系統(tǒng)電源類產(chǎn)品的功率密度。

3、柵電荷小，對電路的驅動能力要求降低。
傳統(tǒng)VDMOS的柵電荷相對較大，我們在實際應用中經(jīng)常會遇到由于IC的驅動能力不足造成的溫升問題，部分產(chǎn)品在電路設計中為了增加IC的驅動能力，確保MOSFET的快速導通，我們不得不增加推挽或其它類型的驅動電路，從而增加了電路的復雜性。SJ-MOS的柵電容相對比較小，這樣就可以降低其對驅動能力的要求，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。

4、節(jié)電容小，開關速度加快，開關損耗小。
由于SJ-MOS結構的改變，其輸出的節(jié)電容也有較大的降低，從而降低了其導通及關斷過程中的損耗。

同時由于SJ-MOS柵電容也有了響應的減小，電容充電時間變短，大大的提高了SJ-MOS的開關速度。對于頻率固定的電源來說，可以有效的降低其開通及關斷損耗。提高整個電源系統(tǒng)的效率。這一點尤其在頻率相對較高的電源上，效果更加明顯。

相關閱讀：

賺翻了！開關電源熱設計方法分享集錦
應用在電源管理中的肖特基二極管
為什么智能手機需要電源管理？