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採用全新工藝製造的具有工業最高性能的MOSFET產品東芝的功率MOSFET產品

分立功率MOSFET是用於製造AC-DC開關轉換器(將交流電壓轉換成直流電壓) 和DC-DC轉換器(將一個直流電壓等級轉換成另一個電壓等級) 的必要器件。
東芝正致力於盡可能最大程度地減少MOSFET 損耗以進一步提升MOSFET的性能。因為降低傳導和開關損耗有助於提升電源電路的工作效率。東芝確信這些工作最終能夠為實現一個更具能源意識和可持續發展的社會作出積極的貢獻。
東芝在開發和製造分立MOSFET器件領域擁有幾十年的生產經驗。東芝的主要產品包括:中高壓DTMOSIV系列(VDSS= 600V左右)、低壓U-MOSⅧ-H系列(VDSS=30-250 V)。本文收錄了對於負責開發這些MOSFET 產品的工程師所作的專訪。

工業首例採用單層外延工藝的大規模生產

― 您怎麼描述DTMOSIV系列的特點?
Onodera: 對於中高壓應用場合,東芝推出了採用超級結構造的VDSS= 600V的DTMOSⅣ(d-t-mos-4) 系列。正如其名字尾碼"IV" 所示,DTMOSIV採用了我們的第四代超級結工藝。
通常,超級結工藝能夠提高擊穿電壓,其原理是在N型層建立垂直方向的P型支柱層從而形成一個在P-N結面具有統一電場分佈的耗盡層。相比于傳統的中高壓MOSFET產品所具有的導通電阻值,超級結構造實現了較低的導通電阻。
另外,DTMOSⅣ採用了一項用於形成P型支柱層的單層外延(single-epi) 技術。熱分散會導致P-N結面的摻雜濃度發生變化,而目前應用最為普遍的多層外廷工藝對於這種變化非常敏感,但是利用單層外延工藝可以實現具有均勻側壁的p型支柱層。因此,單層外延工藝能夠提供更高的性能,也實現了幾何外形尺寸的縮小化 (圖 1)。.
另外,由於形成P型支柱層只需執行一次外延晶體生長,所以單層外延工藝縮短了生產時間。我想,東芝是首家運用單層外延工藝進行大規模生產的企業。我們會繼續發揚我們在單層外延技術中所具有的領先競爭優勢。
― DTMOSIV在採用單層外延技術之後的性能相比於其前一代產品有怎樣的提高?
Onodera: RONA, 即單位面積的導通電阻,這是一項用以比較傳導損耗優越性的資料。DTMOSIV相比於採用第三代DTMOS工藝的DTMOSⅢ 產品,其RONA大約下降了30%。另外,由於採用了單層外延結構,DTMOSIV 實現了RONA在高溫區域的較低增長。例如:在125℃ 時,DTMOSIV的RONA值相比於同樣條件下DTMOSⅢ的RONA值降低了10%,從而保持了高效率 (圖 2)。 DTMOSIV的開關損耗 (Eoss) 相比於DTMOSⅢ 降低了12% 以上。
VDSS和低RDS(ON) 的DTMOSIV系列適用于高電流應用場合,比如大型IT系統用電源設備、通信設備和電腦伺服器。它也非常適用於光伏發電的逆變器和轉換器應用場合,這些應用中需要使用一系列的電池連接以達到幾百伏的電壓。東芝的中高壓平面 MOSFET產品已經獲得了很大的市場份額,尤其是在對於可靠性要求很高的應用領域。大電流超級結DTMOSⅣ系列作為我們 MOSFET產品組合的補充,它將擴大我們MOSFET產品的應用範圍。
圖 1 工業首例採用單層外延技術提高性能的大規模生產

圖 1 工業首例採用單層外延技術提高性能的大規模生產

圖 2 通過採用單層外延技術降低了RDS(ON)的增長

圖 2 通過採用單層外延技術降低了RDS(ON)的增大

適用於廣泛的VDSS和RDS(ON)

― 您怎麼描述U-MOSⅧ-H 系列的特點?
Yokota: U-MOS Ⅷ-H (u-Mos-8-h)是一個低壓分立MOSFET產品系列,它適用於各種電氣和電子設備中的AC-DC和DC-DC轉換器應用場合,比如:移動設備適配器、遊戲機、IT 設備、通信系統、視聽設備、白色家電和小型工業設備。
U-MOS Ⅷ-H具有溝槽結構。顧名思義,它採用了我們的第八代溝槽工藝。
U-MOS Ⅷ-H系列的VDSS涵蓋了30V至250V的範圍,它可以滿足所有工業應用需求。這一系列的產品憑藉其工業領先的性能而具有很強的市場競爭力。
― 您說這個全新的系列涵蓋了30V至250V的完整產品範圍。那麼您怎樣描述U-MOSⅧ-H這一系列的性能?
Yokota: 讓我以一款典型的N-溝道MOSFET產品為例進行說明。RONA,即單位面積的導通電阻,這是一項用以比較傳導損耗優越性的資料。對於同樣擁有VDSS=100V的N-溝道U-MOS Ⅷ-H器件和U-MOS Ⅳ器件而言,前者的RONA值大約為後者的一半。同時,RONCiss是一項用於比較驅動損耗優越性的資料,驅動損耗對於低負載電源電路具有顯著的影響U-MOS Ⅷ-H相比於U-MOS IV,其RONCiss降低了60%。
為進行比較,我們對於東芝推出的應用於AC-DC轉換器中的MOSFET (VOUT= 19.5V) 與競爭對手的同款產品所具有的電源轉換效率進行了測量,其測量的前提是該AC-DC轉換器可以應用於筆記本電腦中的AC適配器。與A公司生產的MOSFET產品相比,東芝的全新MOSFET產品在低負載條件下具有較高的效率,而在高負載時的效率相同
圖 3 整個負載範圍內工業最高等級的轉換效率

圖 3 整個負載範圍內工業最高等級的轉換效率

東芝繼續努力提升性能極限

U-MOS Ⅷ-H和DTMOSIV系列都具有工業最高的性能。東芝現在可以提供VDSS=30V-650V的MOSFET 產品。以通信系統為例,其擁有一個能產生48V直流電的AC-DC轉換器,一個能產生12V或5V直流電的DC-DC 轉換器,以及滿足CPU和記憶體子系統應用需求的能產生低電壓的負載點(POL) 電源(圖 4)。您現在可以將東芝的最新MOSFET 產品應用於所有的電源電路。
以前,一些MOSFET產品只能採用舊的生產工藝。隨著U-MOS Ⅷ-H和DTMOSIV系列產品的發佈,我們的MOSFET產品開創了一個具有工業最高性能的廣泛的產品應用範圍。
當然,分立MOSFET產品在提高電源電路的整體效率方面所作的貢獻可能還無足輕重,但是只要我們能夠保持持續地改進,就必定會實現質的飛越。所以,這還需要我們不斷地開展研發工作。東芝將繼續努力開發全新的工藝,為實現一個更具能源意識的社會而作出積極的貢獻。

圖 4 適用于整個電源應用場合的廣泛的MOSFET產品組合

圖 4 適用于整個電源應用場合的廣泛的MOSFET產品組合

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