SJ MOSFET的应用及与SiC和GaN的比较
超结（sj）硅mosfet自1990年代后期首次商业化用于功率器件应用领域以来，在400–900v功率转换电压范围内取得了巨大成功。参考宽带隙（wbg）、碳化硅（sic）和氮化镓（gan）功率器件，我们将在本文中重点介绍其一些性能特性和应用空间。
sj mosfet
让我们研究一下导致平面si n-mosfet导通电阻（rds（on））的因素，如图1所示，以了解sj mosfet的优点和概念。
图1：平面n-mosfet，显示导通状态电阻元件（来源：1)
对于额定电压为30v的器件，对rds（on）的漂移区域贡献约为30%。随着额定电压的升高，该区域必须变厚，掺杂浓度必须降低。对于额定电压为600v的器件，该区域可占总rds（on）的95%以上。这个问题可以通过sj概念使用电荷平衡思想来解决。为了平衡电子行进采用明显更高的掺杂n区（与具有类似额定电压的平面mosfet相比），图2显示了位于漂移区域的深p掺杂垂直柱。在关断状态下产生空间电荷耗尽区域会导致电场均匀分布，从而产生高击穿电压。
图2：简化的sj n-mosfet横截面（来源：2)
对于给定的rds（on），sj器件尺寸可以显著减小，从而改善开关行为，如下一节所述。sj器件超过了rds（on）的si限制，rds（on）于1979年基于1-d泊松理论3建立。根据sj器件所需的2d泊松解决方案，可以通过降低图2所示的间距cp并增加掺杂浓度来降低rds（on）。
工艺/器件挑战
制造sj mosfet的两种不同方法如图3所示。左图显示了一种多次外延生长方法，其在连续的n型外延生长之间使用掩蔽的p型植入物。右图显示了深沟槽方法，其中为p柱指定的区域被蚀刻掉，随后填充这些区域。
图3：制造sj mosfet的两种方法（来源：4）。
左图为多次外延法，右图为深沟槽，然后进行再生
这两种方法都有其独特的挑战和权衡。多次外延法可以垂直调节掺杂水平，但掺杂剂的向外扩散会产生可能更难电荷平衡的球形区域。沟槽方法的优点是更精确的横向控制，以更小的间距创建更平滑的能谱柱，在蚀刻和填充方面存在工艺挑战。器件面临的挑战包括提高雪崩性能。雪崩事件会影响电荷平衡，可能会降低击穿电压，这对可靠性来说是不希望的。雪崩耐用性涉及rds（on）的权衡。sj器件的另一个固有特性是结面积大，导致反向恢复电荷（qrr）高，这可能会限制其在涉及第三象限操作的许多应用中的使用。
si sj mosfet的性能和特点
对于非sj传统的垂直单极mosfet，特定的导通电阻可以表示为：
公式1：传统垂直mosfet的电阻方程。
这里，bv是击穿电压，μ是通道迁移率，e是介电常数，ec是临界电场。对于sj器件，这将更改为：
公式2：sj mosfet的电阻方程。
此处cp是柱间距，如图2所示。公式2表明，sj mosfet rds（on）可以比传统的硅功率mosfet小得多。这也显示在图4中，该图将cp = 1um时sj si mosfet的rds（on）与其它技术进行了比较。例如，600v sj si mosfet在rds（on）方面比传统硅mosfet小60倍。
图4：传统硅、硅sj、碳化硅和氮化镓功率mosfet的比电阻与击穿电压的关系（来源：1）。
sj si mosfet的另一个关键优势是输出电容coss相对于vds施加的漏极电压的极端非线性行为。图5显示了英飞凌历代coolmos sj技术的coss变化。胞元间距cp的降低使coss非线性更加明显。在高vds下，coss可以用板电容器模型近似，其板距离是耗尽电荷的空间宽度。随着胞元间距的降低，这种横向耗尽发生在较低的电压下。对于给定的rds（on），随着cp的减小，需要更小的sj芯片尺寸，从而进一步降低coss。
图5：历代英飞凌coolmos sj硅mosfet的输出电容和存储能量与漏极电压的关系（来源：1）。
对于硬开关电源转换器，开关能量损耗很大程度上取决于输出电容中存储的能量eoss，而eoss又取决于与能量相关的coss（er）电容。coss中的强非线性支持近乎无损的关断，因为mos沟道可以在为输出电容充电所需的时间范围内完全关闭。表1比较了传统和sj 600v硅mosfet具有类似rds（on）的特性。sj器件在总栅极电荷（qg）、米勒栅极漏极电容（qgd）、反向恢复电荷（qrr）和eoss等关键参数方面改进了15-25%。在这种情况下，sj器件的雪崩能量额定值eas仅从较小的芯片尺寸开始降低。然而，在许多大功率应用中，过压能力更为重要，这样箝位电路就可以有足够的裕量来触发并提供保护。
表1：600v平面和sj si mosfet与类似rds（on）的一些关键特性的比较（来源：6）。
减少栅极电荷有几个优点。它能够为给定的栅极驱动器提供更快的器件切换，或者相反，可以使用较低电流的驱动器，从而降低总功耗。sj器件改进的另一个关键途径是反向恢复电荷qrr。这在需要连续换向第三象限电流的硬开关应用中尤其重要，例如在图腾柱pfc中。独立的si sj mosfet不是这些应用的首选，而是首选将其与没有qrr的反并联肖特基势垒二极管（sbd）配对。或用sic或gan 等wbg器件替换si sj mosfet。然而，sj工艺的改进，以在体二极管中实现更快的反向恢复，例如缩短寿命的铂扩散，使得qrr性能与wbg器件的差距更加缩小。
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图2：简化的sj n-mosfet横截面（来源：2)
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