什么是cool mosfet-cool mosfet与其他MOSFET的区别及优势等详解
cool mosfet介绍
什么是cool mosfet，对于常规VDMOS 器件结构， Rdson 与BV 这一对矛盾关系，要想提高BV，都是从减小EPI 参杂浓度着手，但是外延层又是正向电流流通的通道，EPI 参杂浓度减小了，电阻必然变大，Rdson 就大了。Rdson直接决定着MOS 单体的损耗大小。
所以对于普通VDMOS，两者矛盾不可调和，这就是常规VDMOS的局限性。但是对于COOLMOS，这个矛盾就不那么明显了。通过设置一个深入EPI 的的P 区，大大提高了BV，同时对Rdson 上不产生影响。对于常规VDMOS，反向耐压，主要靠的是N 型EPI 与body区界面的PN结，对于一个PN 结，耐压时主要靠的是耗尽区承受，耗尽区内的电场大小、耗尽区扩展的宽度的面积。
常规VDSMO，P body 浓度要大于N EPI，大家也应该清楚，PN 结耗尽区主要向低参杂一侧扩散，所以此结构下，P body 区域一侧，耗尽区扩展很小，基本对承压没有多大贡献，承压主要是P body－－N EPI 在N 型的一侧区域，这个区域的电场强度是逐渐变化的，越是靠近PN 结面，电场强度E越大。
对于COOLMOS 结构，由于设置了相对P body 浓度低一些的P region 区域，所以P 区一侧的耗尽区会大大扩展，并且这个区域深入EPI 中，造成了PN 结两侧都能承受大的电压，换句话说，就是把峰值电场Ec 由靠近器件表面，向器件内部深入的区域移动了。
什么是cool mosfet的结构及P区制造方法
1、多次注入法
之所以采用多次注入，是由于P区需要深入到EPI中，且要均匀分布，一次注入即使能注入到这么深，在这个深度中的分布也不会均匀，所以要采用多次注入法，如下图。
2、倾斜角度注入（STM技术）
除了多次注入法，能保证在EPI中注入这么深，并且保证不同位置的浓度差异不大的方法还有 STM技术（Super trench MOSFET）。采用倾斜角度注入，实现Super junction的结构（STM）。
STM结构的3D示意图
3、cool mosfet开深沟槽后外延生长填充形成P区
结构中纵向Ｐ型区的形成方法，通过在Ｎ型外延上开深沟槽，然后再利用外延工艺在沟槽内生长出Ｐ型单晶硅形成在Ｎ型外延上的Ｐ型区域，然后通过回刻工艺将槽内生长的Ｐ型外延单晶刻蚀到与沟槽表面平齐，以形成ＣｏｏｌＭＯＳ的纵向Ｐ型区域。该方法减少了工艺的复杂度和加工时间。
什么是cool mosfet-cool mosfet与其他MOSFET的区别
（1）结构上的区别
平面水平沟道的MOSFET的结构如下图所示。
平面水平沟道的MOSFET
它的源极S、漏极D和栅极G都处在硅单晶的同一侧，当栅极处于适当正电位时，其二氧化硅层下面的晶体表面区由P型变为N型（反型层），形成N型导电沟道。平面水平沟道的MOSFET在LSI（大规模集成电路）里得到了广泛的应用。MOSFET的理论里，要得到大的功率处理能力，要求有很高的沟道宽长比W/L，而平面水平沟道的MOSFET的沟道长L不能太小，因此只能增大芯片面积，这很不经济。所以其一直停留在几十伏电压，几十毫安电流的水平。
平面水平沟道的MOSFET的大功率处理能力的低下促使了垂直导电型MOSFET（VMOSFET）的出现，VMOSFET分为VVMOSFET和VDMOSFET两种结构，比较常用的是VDMOSFET，其结构如下两个图所示。
VVMOSFET结构图
VDMOSFET结构图
VVMOSFET是利用V型槽来实现垂直导电的，当Vgs大于0时，在V型槽外壁与硅表面接触的地方形成一个电场，P区和N＋区域的电子受到吸引，当Vgs足够大时，就会形成N型导电沟道，使漏源极之间有电流流过。
VDMOSFET的栅极结构为平面式，当Vgs足够大时，两个源极之间会形成N型导电沟道，使漏源极之间有电流流过。
VDMOSFET比VVMOSFET更易获得高的耐压和极限频率，因此在大功率场合得到更多应用，我们在整流模块中常用的MOSFET都是VDMOSFET。
在高截止电压的VDMOSFET中，通态电阻的95％由N－外延区的电阻决定。因此，为了降低通态电阻，人们想了种种办法来降低N－外延区的电阻，有两种方法得到应用，这就是沟道式栅极MOSFET和Cool MOSFET，它们的结构分别如下两个图所示。
沟道式栅极MOSFET结构图
沟道式栅极MOSFET是将VDMOSFET中的“T”导电通路缩短为两条平行的垂直型导电通路，从而降低通态电阻。
Cool MOSFET结构图
Cool MOSFET则是两个垂直P井条之间的垂直高掺杂N＋扩散区域为电子提供了低阻通路，从而降低通态电阻。较低浓度的两个垂直P井条主要是为了耐压而设计的。Cool MOSFET的通态电阻为普通的VDMOSFET的1/5，开关损耗因此减为普通的VDMOSFET的1/2，但是Cool MOSFET固有的反向恢复特性的动态特性不佳。
（2）主要电气性能比较
Cool MOSFET和其他MOSFET种类繁多，为了能有一个直观的印象，现对SPP20N60CFD（Cool MOSFET）、IRFP460LC、IRFPC60LC、IXFH40N50进行主要电气性能比较，见表1。
表1 SPP20N60CFD、IRFP460LC、IRFPC60LC、IXFH40N50主要电气性能比较
从表1可以看出，Cool MOSFET的优点是：
1、通态电阻小，通态损耗小
2、同等功率下封装小，有利于电源小型化
3、栅极开启电压限高，抗干扰能力强
4、栅极电荷小，驱动功率小
5、节电容小，开关损耗小。
Cool MOSFET的缺点是：
1、热阻大，同等耗散功率下温升高
2、能通过的直流电流和脉冲电流小。
（3）主要电气性能差异的原因
Cool MOSFET和其他MOSFET主要电气性能上的差异是由它们结构上的差异导致的。
Cool-MOS的优势
什么是cool mosfet，cool mosfet的优势有哪些？
1.通态阻抗小，通态损耗小
由于SJ-MOS 的Rdson 远远低于VDMOS，在系统电源类产品中SJ-MOS 的导通损耗必然较之VDMOS要减少的多。其大大提高了系统产品上面的单体MOSFET 的导通损耗，提高了系统产品的效率，SJ-MOS的这个优点在大功率、大电流类的电源产品产品上，优势表现的尤为突出。
2.同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高
首先，同等电流以及电压规格条件下，SJ-MOS 的晶源面积要小于VDMOS 工艺的晶源面积，这样作为MOS 的厂家，对于同一规格的产品，可以封装出来体积相对较小的产品，有利于电源系统功率密度的提高。
其次，由于SJ-MOS 的导通损耗的降低从而降低了电源类产品的损耗，因为这些损耗都是以热量的形式散发出去，我们在实际中往往会增加散热器来降低MOS 单体的温升，使其保证在合适的温度范围内。由于SJ-MOS 可以有效的减少发热量，减小了散热器的体积，对于一些功率稍低的电源，甚至使用SJ-MOS 后可以将散热器彻底拿掉。有效的提高了系统电源类产品的功率密度。
3.栅电荷小，对电路的驱动能力要求降低
传统VDMOS 的栅电荷相对较大，我们在实际应用中经常会遇到由于IC 的驱动能力不足造成的温升问题，部分产品在电路设计中为了增加IC 的驱动能力，确保MOSFET 的快速导通，我们不得不增加推挽或其它类型的驱动电路，从而增加了电路的复杂性。SJ-MOS 的栅电容相对比较小，这样就可以降低其对驱动能力的要求，提高了系统产品的可靠性。
4.节电容小，开关速度加快，开关损耗小
由于SJ-MOS 结构的改变，其输出的节电容也有较大的降低，从而降低了其导通及关断过程中的损耗。同时由于SJ-MOS 栅电容也有了响应的减小，电容充电时间变短，大大的提高了SJ-MOS 的开关速度。对于频率固定的电源来说，可以有效的降低其开通及关断损耗。提高整个电源系统的效率。这一点尤其在频率相对较高的电源上，效果更加明显。
cool mosfet系统应用可能会出现的问题
1、纹波噪音差
由于SJ-MOS 拥有较高的dv/dt 和di/dt，必然会将MOSFET 的尖峰通过变压器耦合到次级，直接造成输出的电压及电流的纹波增加。甚至造成电容的温升失效问题的产生。
2、抗浪涌及耐压能力差
由于SJ-MOS 的结构原因，很多厂商的SJ-MOS 在实际应用推广替代VDMOS 的过程中，基本都出现过浪涌及耐压测试不合格的情况。这种情况在通信电源及雷击要求较高的电源产品上，表现的更为突出。这点必须引起我们的注意。
3、漏源极电压尖峰比较大
尤其在反激的电路拓扑电源，由于本身电路的原因，变压器的漏感、散热器接地、以及电源地线的处理等问题，不可避免的要在MOSFET 上产生相应的电压尖峰。针对这样的问题，反激电源大多选用RCD SUNBER 电路进行吸收。由于SJ-MOS 拥有较快的开关速度，势必会造成更高的VDS 尖峰。如果反压设计余量太小及漏感过大，更换SJ-MOS 后，极有可能出现VD 尖峰失效问题。
4、EMI可能超标
由于SJ-MOS 拥有较小的寄生电容，造就了超级结MOSFET 具有极快的开关特性。因为这种快速开关特性伴有极高的dv/dt 和di/dt，会通过器件和印刷电路板中的寄生元件而影响开关性能。对于在现代高频开关电源来说，使用了超级结MOSFET，EMI 干扰肯定会变大，对于本身设计余量比较小的电源板，在SJ-MOS 在替换VDMOS 的过程中肯定会出现EMI 超标的情况。
5、栅极震荡
功率MOSFET 的引线电感和寄生电容引起的栅极振铃，由于超级结MOSFET 具有较高的开关dv/dt。其震荡现象会更加突出。这种震荡在启动状态、过载状况和MOSFET 并联工作时，会发生严重问题，导致MOSFET失效的可能。
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