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采用全新工艺制造的具有工业最高性能的MOSFET产品东芝的功率MOSFET产品

分立功率MOSFET是用于制造AC-DC开关转换器(将交流电压转换成直流电压) 和DC-DC转换器(将一个直流电压等级转换成另一个电压等级) 的必要器件。
东芝正致力于尽可能最大程度地减少MOSFET损耗以进一步提升MOSFET的性能。因为降低传导和开关损耗有助于提升电源电路的工作效率。东芝确信这些工作最终能够为实现一个更具能源意识和可持续发展的社会作出积极的贡献。
东芝在开发和制造分立MOSFET器件领域拥有几十年的生产经验。东芝的主要产品包括:中高压DTMOSIV系列(VDSS= 600V左右)、低压U-MOSⅧ-H系列(VDSS=30-250 V)。本文收录了对于负责开发这些MOSFET 产品的工程师所作的专访。

工业首例采用单层外延工艺的大规模生产

― 您怎么描述DTMOSIV系列的特点?
Onodera: 对于中高压应用场合,东芝推出了采用超级结构造的VDSS= 600V的DTMOSⅣ(d-t-mos-4) 系列。正如其名字后缀"IV"所示,DTMOSIV采用了我们的第四代超级结工艺。
通常,超级结工艺能够提高击穿电压,其原理是在N型层建立垂直方向的P型支柱层从而形成一个在P-N结面具有统一电场分布的耗尽层。相比于传统的中高压MOSFET产品所具有的导通电阻值,超级结构造实现了较低的导通电阻。  
另外,DTMOSⅣ采用了一项用于形成P型支柱层的单层外延(single-epi) 技术。热分散会导致P-N结面的掺杂浓度发生变化,而目前应用最为普遍的多层外廷工艺对于这种变化非常敏感,但是利用单层外延工艺可以实现具有均匀侧壁的p型支柱层。因此,单层外延工艺能够提供更高的性能,也实现了几何外形尺寸的缩小化 (图 1)。.
另外,由于形成P型支柱层只需执行一次外延晶体生长,所以单层外延工艺缩短了生产时间。我想,东芝是首家运用单层外延工艺进行大规模生产的企业。我们会继续发扬我们在单层外延技术中所具有的领先竞争优势。
― DTMOSIV在采用单层外延技术之后的性能相比于其前一代产品有怎样的提高?
Onodera: RONA, 即单位面积的导通电阻,这是一项用以比较传导损耗优越性的数据。DTMOSIV相比于采用第三代DTMOS工艺的 DTMOSⅢ 产品,其RONA 大约下降了30%。另外,由于采用了单层外延结构,DTMOSIV实现了RONA在高温区域的较低增长。例如:在125℃ 时,DTMOSIV的RONA值相比于同样条件下DTMOSⅢ的RONA值降低了10%,从而保持了高效率 (图 2)。DTMOSIV的开关损耗 (Eoss) 相比于DTMOSⅢ 降低了12% 以上。
VDSS和低RDS(ON) 的DTMOSIV系列适用于高电流应用场合,比如大型IT系统用电源设备、通信设备和计算机服务器。它也非常适用于光伏发电的逆变器和转换器应用场合,这些应用中需要使用一系列的电池连接以达到几百伏的电压。东芝的中高压平面 MOSFET产品已经获得了很大的市场份额,尤其是在对于可靠性要求很高的应用领域。大电流超级结DTMOSⅣ系列作为我们MOSFET产品组合的补充,它将扩大我们MOSFET产品的应用范围。
图 1 工业首例采用单层外延技术提高性能的大规模生产

图 1 工业首例采用单层外延技术提高性能的大规模生产

图 2 通过采用单层外延技术降低了RDS(ON)的增长

图 2 通过采用单层外延技术降低了RDS(ON)的增大

适用于广泛的VDSS和RDS(ON)

― 您怎么描述U-MOSⅧ-H 系列的特点?
Yokota:U-MOSⅧ-H (u-Mos-8-h)是一个低压分立MOSFET产品系列,它适用于各种电气和电子设备中的AC-DC和DC-DC 转换器应用场合,比如:移动设备适配器、游戏机、IT 设备、通信系统、视听设备、白色家电和小型工业设备。
U-MOS Ⅷ-H具有沟槽结构。顾名思义,它采用了我们的第八代沟槽工艺。
U-MOS Ⅷ-H系列的VDSS 涵盖了30V至250V的范围,它可以满足所有工业应用需求。这一系列的产品凭借其工业领先的性能而具有很强的市场竞争力。
― 您说这个全新的系列涵盖了30V至250V的完整产品范围。那么您怎样描述U-MOS Ⅷ-H这一系列的性能?
Yokota: 让我以一款典型的N-沟道MOSFET 产品为例进行说明。RONA,即单位面积的导通电阻,这是一项用以比较传导损耗优越性的数据。对于同样拥有VDSS=100V的N-沟道U-MOS Ⅷ-H器件和U-MOS Ⅳ器件而言,前者的RONA值大约为后者的一半。同时,RONCiss是一项用于比较驱动损耗优越性的数据,驱动损耗对于低负载电源电路具有显著的影响U-MOS Ⅷ-H相比于U-MOS IV,其RONCiss降低了60%。
为进行比较,我们对于东芝推出的应用于AC-DC转换器中的MOSFET (VOUT= 19.5V) 与竞争对手的同款产品所具有的电源转换效率进行了测量,其测量的前提是该AC-DC转换器可以应用于笔记本电脑中的AC适配器。与A公司生产的MOSFET产品相比,东芝的全新MOSFET产品在低负载条件下具有较高的效率,而在高负载时的效率相同
图 3 整个负载范围内工业最高等级的转换效率

图 3 整个负载范围内工业最高等级的转换效率

东芝继续努力提升性能极限

U-MOS Ⅷ-H和DTMOSIV系列都具有工业最高的性能。东芝现在可以提供VDSS=30V-650V的MOSFET 产品。以通信系统为例,其拥有一个能产生48V直流电的AC-DC转换器,一个能产生12V或5V直流电的DC-DC 转换器,以及满足CPU和内存子系统应用需求的能产生低电压的负载点(POL) 电源(图 4)。您现在可以将东芝的最新MOSFET产品应用于所有的电源电路。
以前,一些MOSFET产品只能采用旧的生产工艺。随着U-MOS Ⅷ-H和DTMOSIV系列产品的发布,我们的MOSFET产品开创了一个具有工业最高性能的广泛的产品应用范围。
当然,分立MOSFET产品在提高电源电路的整体效率方面所作的贡献可能还无足轻重,但是只要我们能够保持持续地改进,就必定会实现质的飞越。所以,这还需要我们不断地开展研发工作。东芝将继续努力开发全新的工艺,为实现一个更具能源意识的社会而作出积极的贡献。

图 4 适用于整个电源应用场合的广泛的MOSFET产品组合

图 4 适用于整个电源应用场合的广泛的MOSFET产品组合

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