功率MOSFET管内部P阱区与N+源极短接原因

功率MOSFET管不管是平面结构、TRENCH结构还是SGT结构,内部P阱区与N+源极都会短接,然后一起连接到外部源极管脚,如图1所示。
图1  功率MOSFET管内部结构
那么,为什么内部P阱区与N+源极要短接在一起?
功率MOSFET管内部结构都包含N外延层(漂移区)、P阱基区和N+源极区,这三个区形成NPN型寄生双极型晶体管结构,如图2所示。
图2  内部寄生三极管
功率MOSFET管关断时,外部电源电压VDD加在漏与源极S之间,同样,VDD也加在寄生三极管的集电极C与发射极S之间,如图3所示。内部P阱区与N+源极要短接在一起,相当于寄生三极管的基极B与发射极S短接在一起,这时候,外部电源电压VDD生三极管的耐压VCBO承担。
图3  P阱区与N+源极短接,耐压VCBO
相反,内部P阱区与N+源极没有短接在一起,寄生三极管的基极B开路,外部电源电压VDD生三极管的耐压VCEO承担,如图4所示。
图4  P阱区与N+源极断开,耐压VCEO
模拟电子技术的基础知识讨论过三极管的耐压VCBO与VCEO关系,为了保证电子快速通过P型基区,三极管的P型基区非常薄,三极管的电流增益都非常大,因此,NPN型三极管的集电结击穿电压(基极与发射极短路VCBO要远大于基极开路击穿电压VCEOVCBO>VCEO如图5所示
图5  三极管VCBOVCEO关系
对于功率MOSFET管而言,内部P阱区与N+源极短接,测量BVDSS时,BVDSS=VCBO内部P阱区与N+源极断开BVDSS=VCEO因此,内部P阱区与N+源极短接,可以提高功率MOSFET管的耐压BVDSS,防止击穿电压降低。
功率MOSFET管内部为了降低导通电阻,通常使用尽可能短的沟道长度,因此,P阱基区的宽度(厚度)非常窄短,P阱基区还是存在一定的横向电阻Rp,也就是基极串联电阻RBRp=RB即使是在芯片表面P区与N+源极短接,内部P阱基区还是通过电阻Rp连接到芯片表面N+源极,因此,实际的功率MOSFET管的耐压BVDSS,介于理想的VCEOVCBO的之间:VCEO<BVDSS<VCBO,如图5、图6所示。
图6  内部P阱基区电阻
功率MOSFET管是单极型器件,例如,N沟道的功率MOSFET管内部只有电子导电。在一些工作状态下,如在关断过程中功率MOSFET管VDS电压过高,或在反向恢复过程中VDS电压过,内部电场较大,加剧碰撞电离,产生一定空穴浓度,空穴通过内部P阱基区电阻RP流向外部源极S管脚,如图7所示。
图7  流过Rp空穴电流
如果RP两端产生电压大于P阱基区与N+源极区PN结二极管的结电压:
VB=iB*R> 0.7V
那么,本来处于关断的功率MOSFET管内部寄生三极管就会导通,导致功率MOSFET管发生损坏,相关内容可以查看公众号以前文章。
图8  寄生三极管导通