为什么超结高压功率MOSFET输出电容的非线性特性更严重？

功率MOSFET的输出电容Coss会随着外加电压VDS的变化而变化，表现出非线性的特性，超结结构的高压功率MOSFET采用横向电场的电荷平衡技术，如图1所示。相对于传统的平面结构，超结结构将P型体区下沉，这样在其内部形成P柱，和N区非常宽的接触面产生宽的耗尽层，也就是空间电荷区，空间电荷区形成的电场，也就是横向电场，保证器件的耐压；同时，原来N区漂移层就可以提高掺杂浓度，降低导通电阻。和标准MOSFET相比，横向电场电荷平衡技术可以极大的减小硅片尺寸，得到更低的RDSON和更低的电容。

(a) 平面结构

(b) 超结结构

图1：平面结构和超结结构的高压功率MOSFET

超结结构的功率MOSFET在VDS电压上升、横向电场建立产生耗尽层（空间电荷区）过程中，N型漂移层两侧的空间电荷区边界会向中心移动，如图2所示，随着VDS电压的升高，两侧空间电荷区边界会接触碰到一起，然后向再下继续移动。在这个过程中，直接影响输出电容Coss和反向传输电容Crss的主要参数有漏极和源极、栅极和漏极相对的面积、形状、厚度，以及相应的空间电荷区相对的距离。

(a) VDS电压非常低

(b) VDS增加到电容突变电压

(c) VDS处于电容突变电压区

(d) VDS达到最大值

图2：空间电荷区建立过程

VDS电压低时，P柱结构周边的空间电荷区厚度相对较小，而且空间电荷区沿着P柱的截面发生转折，相对的有效面积很大，如图2(a)所示，因此输出电容Coss和反向传输电容Crss的电容值非常大。

VDS电压提高，空间电荷区沿着P柱的截面发生下移，当VDS电压提高到某一个区间，两侧的空间电荷区相互接触时，同时整体下移，电容的有效面积急剧降低，同时空间电荷区厚度也急剧增加，因此Coss和Crss电容在这个VDS电压区间也随之发生相应的突变，产生非常强烈的非线性特性，如图2(b) 和(c)所示。

VDS电压提高到更高的值，整个N区全部耗尽变为空间电荷区空间，此时电容的有效面积降低到非常、非常小的最低时，如图2(d)所示，输出电容Coss也降低到非常、非常小的最低值。

VDS在20V，100V空间电荷区电场分布仿真图，可以看到：在低电压时，相对于柱结构和单元尺寸，空间电荷区厚度相对的小，P柱结构周边空间电荷区发生转折，导致输出电容的有效面积变大。这二种因素导致在低压时，Coss的值较大。高压时，空间电荷区的形状开始变化，首先沿着补偿的结构，然后进入更低有效面积的水平电容，因此高压的输出电容降低到二个数量级以下。

(a) 20V空间电荷区电场分布

(b) 100V空间电荷区电场分布

图3：空间电荷区电场分布

Crss和Coss相似，电容曲线的突变正好发生在上面二种状态过渡的转变的过程。

图4展示了平面和超结结构高压功率MOSFET的电容曲线，从图中的曲线可以的看到，当偏置电压VDS从0变化到高压时，输入电容Ciss没有很大的变化，Coss和Crss在低压的时候非常大，在高压时变得非常小。在20-40V的区间，产生急剧、非常大的变化。

图4：平面和超结结构高压功率MOSFET的电容曲线

不同的工艺，转折点的电压不一样，转折点的电压越低，电容的非线性特性越强烈，对功率MOSFET的开关特性以及对系统的EMI影响也越强烈。