新型高耐压功率场效应晶体管

高阻断电压，如图1(b)所示。这时器件的耐压取决于P与N－的耐压。因此N－的低掺杂，高电阻率是必须的。

当VGS>Vth时，被电场反型而产生的N型导电沟道形成。源极区的电子通过导电荷道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷，从而恢复被耗尽的N型特性，因此导电沟道形成。由于垂直N区具有较低的电阻率，因而导通电阻较常规MOSFET将明显降低。

通过以上分析可以看到：阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域。将阻断电压与导通电阻功能分开，解决了阻断电压与导通电阻的矛盾，同时也将阻断时的表面PN结转化为掩埋PN结在相同的N－掺杂浓度时，阻断电压还可进一步提高。

3 内建横向电场MOSFET的主要特性

3.1 导通电阻的降低

Infineon的内建横向电场的MOSFET，耐压600V和800V与常规MOSFET器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下降到常规MOSFET的1/5和1/10；相同的额定电流，导通电阻分别下降到1/2和约1/3。在额定结温、额定电流条件下，导通压降分别从12.6V，19.1V下降到6.07V和7.5V；导通损耗下降到常规MOSFET的1/2和1/3。由于导通损耗的降低，发热减少，器件相对较凉，故称COOLMOS。

3.2 封装的减小和热阻的降低

相同额定电流的COOLMOS的管芯较常规MOSFET减小到1/3和1/4，使封装减小两个管壳规格，如表2所示。

表2 封装与额定电流电压

型号	STO?223	SPAKIPAK	D2PAKTO?220	TO?247
COOLMOS	600V4.5A0.95Ω	600V7.3A0.6Ω	600V20A0.19Ω	600V47A0.07Ω
		800V6A0.9Ω	800V17A0.29Ω
常规MOSFET		600V2A4.4Ω	600V10A0.75Ω	600V17A0.4Ω
			800V4.1A3Ω	800V9.1A0.8Ω

由于COOLMOS管芯厚度仅为常规MOSFET的1/3，使TO-220封装RthJC从常规1℃/W降到0.6℃/W，管芯散热能力的提高，使得额定功率从125W上升到208W。

3.3 开关特性的改善

COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优于常规MOSFET，如表3所示。

表3 COOLMOS与常规MOSFET的栅极电荷与开关参数

型号	Qg/nC	Qgs/nC	Qgd/nC	Ciss/pF	Coss/pF	Crss/pF	Tf/ns
COOLMOSSPB07N60C2	35	7.5	16.5	1036	370	10	10
常规600V，6?2A	60	8.3	30	1400	160	7.0	20
常规低电荷600V，6?2A	42	10	20	1300	160	30	18

很明显，由于Qg，特别是Qgd的减少，使COOLMOS的开关时间约为常规MOSFET的1/2；开关损耗降低约50％。关断时间的下降也与COOLMOS内部低栅极电阻（1Ω）有关。

3.4 抗雪崩击穿能力与SCSOA

目前，新型的MOSFET无一例外地具有抗雪崩击穿能力。COOLMOS同样具有抗雪崩能力。在相同额定电流下，COOLMOS的IAS与ID25相同。但由于管芯面积的减小，IAS小于常规MOSFET，而具有相同管芯面积时，IAS和EAS则均大于常规MOSFET。

COOLMOS的最大特点之一就是它具有短路安全工作区（SCSOA），而常规MOS不具备这个特性。COOLMOS获得SCSOA的主要原因是其转移特性的变化。COOLMOS的转移特性，如图2所示。从图2可以看到，当VGS>12V时，COOLMOS的漏极电流不再增加，呈恒流状态。特别是在结温升高时，恒流值下降，VGS也下降。在最高结温时，约为ID25的2倍，即正常工作电流的3～3.5倍。在短路状态下，漏极电流不会因栅极的15V驱动电压而上升到不可容忍的十几倍的ID25，使COOLMOS在短路时所耗散的功率限制在350V×2ID25《350V×10ID25，尽可能地减少了短路时管芯的发热；管芯热阻降低，可使管芯产生的热量迅速地散发到管壳，抑制了管芯温度的上升速度。因此，COOLMOS可在正常栅极电压驱动时，在0.6VDSS电源电压下承受10μs短路冲击，时间间隔大于1s，连续1000次不损坏，从而COOLMOS可以像IGBT一样，在短路时得到有效的保护。

图2 COOLMOS转移特性

4 关于内建横向电场高压MOSFET发展现状

继1988年Infineon推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V类似于COOLMOS的内部结构，使500V、12A的MOSFET可封装在TO?220管壳内，其导通电阻为0?35Ω，低于IRFP450的0?4Ω，额定电流与IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技术的MOSFET。IR也推出了Supper220、Supper247封装的超级MOSFET，额定电流分别为35A及59A，导通电阻分别为0.082Ω、0.045Ω，150℃时导通压降约4?7V，综合指标均优于常规MOSFET。因此，可以认为以上的MOSFET一定存在类似于横向电场的特殊结构。

可以看到，设法降低高压MOSFET的导通压降已经成为现实，并且必交推动高压MOSFET的应用。

5 COOLMOS与IGBT的比较

耐压600V、800V的COOLMOS的高温导通压降分别约6、7.5V，关断损耗降低1/2，总损耗降低1/2以上，使总损耗为常规MOSFET的40％～50％。常规耐压600V的MOSFET的导通损耗占总损耗约75％，对应