半導體元件，尤其是功率Mosfet(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，在現代電子設備中扮演著至關重要的角色。隨著功率需求的提升，半導體結構的設計也不斷演進。常見的Mosfet結構主要有兩種類型：Planar結構和Super Junction結構。這兩種結構各自擁有不同的特性，對應不同的應用場景。本文將簡要介紹常見的半導體結構，並針對Super Junction與Planar進行對比，特別是如何通過規格書辨別這兩種結構參數上的差異。
兩者結構的差異
Super Junction結構
Super Junction結構是一種先進的半導體設計，主要通過交替排列P型和N型半導體材料來形成一個“超結”結構。這種設計使得器件能夠在高耐壓下保持較低的導通電阻，並且具有較好的熱管理性能。Super Junction結構通常應用於高壓、高功率應用中，如電源轉換器、電動車充電系統、太陽能逆變器等。
Planar結構
Planar結構是最基本的Mosfet結構，源極、漏極和閘極在同一平面上。這種結構相對簡單，製程成熟，因此在低成本和中等功率應用中仍然具有競爭力。
Super Junction與Planar結構的優缺點比較
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特徵 |
Super Junction結構 |
Planar結構 |
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製程難度 |
較高，涉及精細摻雜和層間控制 |
較簡單，成熟的製程技術 |
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導通電阻(Rds(on)) |
較低，適用於高效能、高功率應用 |
較高，導通損耗較大 |
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耐壓能力 |
較高，適合高壓應用 |
較低，適用於中低壓應用 |
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開關特性 |
較快，適合高頻應用 |
較慢，開關損耗較大 |
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熱管理性能 |
較好，發熱較少 |
較差，需額外散熱設計 |
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成本 |
較高，因為製程較為複雜 |
較低，適合成本敏感應用 |
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應用領域 |
高效能、高功率、高頻應用 |
低功率、中低頻應用，成本敏感型應用 |
如何從規格書中辨別Planar結構與Super Junction結構
- 導通電阻(Rds(on))
- Super Junction Mosfet 通常具有較低的Rds(on)，即使在較高的耐壓條件下，也能保持較低的導通損耗。
- Planar Mosfet的Rds(on)通常較高，這意味著在相同耐壓下，導通損耗較大。
- 耐壓(Vds)
- Super Junction Mosfet通常支持較高的耐壓(如600V、1200V及以上)，並且具有較高的可靠性。
- Planar Mosfet主要用於低至中等耐壓範圍，通常低於Super Junction結構的耐壓水平。
- Ciss(輸入電容)
- Super Junction Mosfet通常具有較低的Ciss。由於其低導通電阻和較快的開關速度，Super Junction Mosfet能夠在較短的時間內完成閘極充電，這反映在Ciss數值上較小。
- Planar Mosfet通常具有較高的Ciss，這是因為Planar結構的閘極和漏極之間的電容較大，這會導致較慢的開關速度和較高的開關損耗。
- Gate Charge(Qg)與開關特性
- Super Junction Mosfet通常具有較低的Gate Charge(Qg)，這使得其開關速度較快，適合高頻開關應用。
- Planar Mosfet可能具有較高的Gate Charge，這會影響其開關速度，導致開關損耗較大。
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特性 |
Super Junction Mosfet |
Planar Mosfet |
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耐壓(Vds) |
通常支援較高的耐壓(如 600V、1200V 及以上)，更適合高耐壓應用。 |
主要用於較低至中等耐壓範圍，通常低於 Super Junction 結構的耐壓水平。 |
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耐電流(Id) |
通常可支持較高的耐電流，因為其結構設計有助於提高承受高電流的能力。 |
耐電流較低，通常設計上承受的最大電流範圍較窄。 |
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導通電阻(Rds(on)) |
在相同耐壓條件下，Rds(on) 較低，導通損耗較小。 |
在相同耐壓條件下，Rds(on) 較高，導通損耗較大。 |
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輸入電容(Ciss) |
Ciss 較低，開關速度較快，閘極充電時間短，適合高效能應用。 |
Ciss 較高，開關速度較慢，較高的開關損耗和較大的閘極充電時間。 |
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Gate Charge(Qg)與開關特性 |
Qg 較低，開關速度較快，適合高頻開關應用，開關損耗較小。 |
Qg 較高，開關速度較慢，開關損耗較大，影響高頻開關效率。 |
讓我們來具體比較兩顆 Mosfet：AOTF190A60CL 和 AOTF20N60，並根據它們的規格書參數表現來判斷它們各自的結構類型(Super Junction還是Planar)
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特性 |
AOTF190A60CL |
AOTF20N60 |
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耐壓(Vds) |
600V |
600V |
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耐電流(Id) |
20A |
20A |
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導通電阻(Rds(on)) |
190mΩ |
370mΩ |
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輸入電容(Ciss) |
1935pF |
3061pF |
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Gate Charge(Qg)與開關特性 |
34nC |
61nC |
從規格書參數比對之下:
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特性 |
AOTF20N60 |
AOTF190A60CL |
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Rds(on) |
370mΩ |
190mΩ |
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Ciss(輸入電容) |
較高 |
較低 |
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Gate Charge (Qg) |
較高 |
較低 |
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開關特性 |
開關速度較慢，較高的開關損耗 |
開關速度較快，較低的開關損耗 |
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推斷結構 |
Planar結構 |
Super Junction結構 |
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推斷原因 |
較高的Rds(on)表示較高的導通損耗，通常為Planar結構。 |
較低的Rds(on)表示較低的導通損耗，通常為Super Junction結構。 |
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高Ciss和Qg表示開關速度較慢，適合低頻應用。 |
低Ciss和Qg表示開關速度較快，適合高頻應用。 |
總結：
- AOTF20N60由於其較高的Rds(on)、較高的Ciss和Qg，更可能是Planar結構，適用於低頻應用。
- AOTF190A60CL由於其較低的Rds(on)、較低的Ciss和Qg，更可能是Super Junction結構，適用於高頻、高效能的開關應用。
這個比較顯示了Super Junction結構相對於Planar結構在相同電流條件下的顯著性能優勢，尤其是在導通速度、導通電阻、Ciss以及Gate Charge上的差異。由於Super Junction結構的特殊層疊設計，能夠在相同的芯片面積上提供更多的導電通道，從而顯著降低導通電阻(Rds(on))，並提高開關速度。這使得Super Junction結構在高功率、高頻率和高效率應用中，特別是在電源管理領域，能夠實現更低的開關損耗和能量損失。此外，低輸入電容(Ciss)和閘極電荷(Gate Charge)的特性意味著Super Junction元件在快速開關過程中能夠消耗更少的能量，提升了驅動效率，減少了熱損耗，並且對驅動電路的要求也較低。因此，Super Junction結構在提供高效能和小型化解決方案方面，顯示出了明顯的競爭優勢。
Q & A
Q1:什麼是Planar結構？
Ans1: Planar結構是指在半導體元件（例如功率半導體晶片）中，所有的主要結構都在一個平面上形成。這種結構的源極、漏極和體層的元件都位於同一層面，並且主要依賴於平面結構來實現電流的導通與控制。
Q2:什麼是Super Junction結構？
Ans2: Super Junction結構是一種專門設計的半導體結構，用於提高功率半導體的效率，特別是在高電壓和高電流應用中。Super Junction結構通過將n型和p型區域交替排列，創造出一個層疊結構，顯著降低了結構的電阻並提高了結構的擊穿電壓和整體性能。
Q3: Planar結構和Super Junction結構的主要差異是什麼？
Ans3: Planar結構是平面的，主要依賴單層的p型和n型材料來實現電流控制。而Super Junction結構則是立體的，通過交替排列n型和p型材料，形成一個三維的層疊結構，從而減少了結構的電阻，提供更好的擊穿電壓和高效能。
Q4: Super Junction結構相對於Planar結構的優勢是什麼？
Ans4: Super Junction結構的優勢在於它能夠提供更高的擊穿電壓和更低的導通電阻，從而提高功率元件的效率。這使得Super Junction結構特別適用於需要高效率、低能量損失的高功率應用，如電源轉換器、高壓開關等。
Q5: Planar結構與Super Junction結構在成本和製程上的差異？
Ans5: Planar結構由於其製程相對簡單，因此成本較低，並且更容易實現大規模生產。相比之下，Super Junction結構的製程更加複雜，需要精細的層疊結構技術，因此成本較高，並且製程較為挑戰，但它在高效能要求的應用中具備優勢。