페어차일드의 최신 Panar Power MOFET인 UniFET II MOSFET 시리즈를 소개한다. 새로운 MOSFET시리즈는 기존 제품들에 비해 우수한 FOM을 갖는다. 동일 RDS(on) 조건에서 UniFET II MOSFET의 커패시턴스 특성은 기존 Planar MOSFET제품들의 거의 절반 수준으로 매우 작다. 따라서 향상된 스위칭 성능과 낮은 스위칭 손실을 얻을 수 있다. UniFET II MOSFET은 또한 바디 다이오드의 역회복 동작시 우수한 dv/dt 내량과 역회복 성능을 제공한다. 따라서 특히 바디 다이오드의 성능이 중요시되는 시스템 응용에서 보다 향상된 신뢰도를 얻을 수 있다.
글: 연재을 Consumer Power System / HV-PCIA
페어차일드 코리아 반도체 / http://www.fairchildsemi.co.kr/
고전압 전력용 MOSFET은 크게 Super Junction(SJ) MOSFET과 Planar MOSFET으로 구분된다. SJ MOSFET은 charge balance 구조와 낮은 게이트 전하량(Qg)으로 인해 Planar MOSFET에 비해 극히 낮은 온-저항(RDS(on))과 매우 빠른 스위칭 속도라는 장점을 갖는다. 통상, 전력용 MOSFET의 RDS(on)과 Qg의 곱을 FOM(figure of merit)이라고 하며 전력용 MOSFET의 성능을 평가하는 지표로서 널리 사용한다. 한편, SJ MOSFET은 Planar MOSFET에 비해 우수한 바디 다이오드 역회복(reverse recovery) 특성을 갖는다.
SJ MOSFET은 그러나, 제조과정 중 매우 복잡한 다층 에피공정(multi layer epi process)이 필요하기 때문에 공정비용이 상승하여 통상, 600V 이상의 비교적 높은 전압영역에서만 경쟁력을 갖는다. 뿐만 아니라, 복잡한 에피공정은 케리어의 강한 lifetime 조절을 어렵게 하고 그로 인해 추가적인 바디 다이오드의 성능향상이 제약을 받는다는 단점이 있다. 반면, Planar MOSFET은 단층 에피공정(single layer epi process)만을 필요로 하기 때문에 케리어의 lifetime 조절이 비교적 용이하고 따라서 극단적인 바디 다이오드의 역회복 특성 개선이 가능하다. 극단적으로 개선된 바디 다이오드의 역회복 특성은 전력용 MOSFET의 역회복시 발생할 수 있는 순시적 단락(shoot through) 현상으로 인한 소자의 파괴를 방지하는데 매우 효과적이다.
최근 페어차일드 반도체는 최적화된 셀 기술을 기반으로 에피 조건에서의 breakdown 전압을 개선함으로써 기존 제품들에 비해 대폭 향상된 FOM(figure of merit)을 갖는 최신의 Planar MOSFET, UniFETTM II MOSFET 시리즈를 출시하였다. 새로 출시된 UniFET II MOSFET은 동일 정격 기준으로 기존 Planar MOSFET의 약 절반수준의 FOM을 갖는다. 또한 lifetime 조절공정을 적용해 바디 다이오드의 역회복 특성과 dv/dt 내성을 획기적으로 개선하였다.
Lifetime 조절이란 실리콘 반도체의 전도대(conduction band)와 원자가대(valance band)사이에 트랩준위(trap level)를 형성시키는 과정으로 이 트랩준위가 깊을수록 반도체 캐리어(carrier)들의 재결합(recombination)과 재생성(regeneration) 과정은 더 빨라지게 된다. 한편, Lifetime 조절을 통해 MOSFET 바디 다이오드의 역회복 특성들(Trr, Qrr, and Irr)을 대폭 향상시킬 수 있지만, 반대로 바디 다이오드의 순방향 전압강하(VF) 와 채널의 RDS(on)특성은 저하되는 역효과도 존재한다.
UniFET II MOSFET의 고도로 향상된 lifetime 조절공정은 바디 다이오드에 우수한 dv/dt 내성과 역회복 특성을 제공한다. 그림 1은 lifetime 조절농도에 따른 RDS(on)과 바디 다이오드 역회복 속도(Trr) 간의 tradeoff 관계를 보여준다. 여기서, lifetime 조절이 강할수록 보다 빠른 Trr 특성을 얻을 수 있지만, lifetime 조절이 과도하게 이루어질 경우, 오히려 Trr 특성 개선효과는 미미해 지는 반면, RDS(on)이 불필요하게 급증하는 바람직하지 않을 결과를 보여준다. UniFET II MOSFET시리즈는 lifetime 조절농도 수준에 따라, normal MOSFET, FRFET? MOSFETs 및 Ultra FRFETTM MOSFETs으로 구분되고 이들 제품들의 Trr은 각각 기존 Planar MOSFET의 70%, 25% 및 15% 정도 수준으로 매우 낮다.
UniFET II MOSFET의 lifetime 조절공정은 또한 바디 다이오드의 역회복시 발생하는 dv/dt에 대한 내량을 강화함으로써 결과적으로 시스템의 신뢰도 향상에 도움을 준다. 통상적인 power MOSFET에서 dv/dt 내량의 보증치는 4.5V/nsec 수준이다. 반면 UniFET II normal MOSFET, FRFET MOSFETs 및 Ultra FRFET MOSFETs의 dv/dt 내량은 각각 10V/nsec, 15V/nsec, 및 20V/nsec로 일반 planar MOSFET과 비교해 월등히 높다.
UniFET II MOSFET 시리즈에서는 또한 최적화된 엑티브 셀 구조를 통해 기생 커패시턴스 성분을 대폭 감소시켰다. 동일한 RDS(on)조건에서 UniFET II MOSFET의 커패시턴스 성분은 기존 Planar MOSFET의 절반 수준으로 매우 작다. 따라서, 스위칭 손실을 대폭 감소시킬 수 있기 때문에 고속 스위칭 응용에 매우 유리하다. 스위칭 동작시 드레인-소스 양단에서 발생하는 턴 오프 손실 (Eoff ) 비교 및 효율특성을 그림 2에 도시하였다. 그림 2에서 보여주는 바와 같이 출력 커패시턴스의 낮은 축적에너지로 인해 UniFET II MOSFET에서의 스위칭 손실 및 효율특성이 경쟁사 제품보다 우수한 특성을 보여줌을 알 수 있다.
일반적으로 전력용 반도체의 정전기 내량인 ESD(elect rostatic discharge)특성은 칩사이즈가 작을수록 약해지게 된다. 그러나 UniFET II MOSFET 시리즈는 내부적으로 게이트-소스단에 서지 보호용 제너 다이오드를 집적시킴으로써 2kV 이상의 ESD 내량을 보증한다.
UniFET II MOSFET의 오더링 시스템과 제품 리스트를 그림 3과 표1에 각각 나타내었다.
결론
페어차일드의 최신 Panar Power MOFET인 UniFET II MOSFET시리즈를 소개한다. 새로운 MOSFET시리즈는 기존 제품들에 비해 우수한 FOM을 갖는다. 동일 RDS(on) 조건에서 UniFET II MOSFET의 커패시턴스 특성은 기존 Planar MOSFET제품들의 거의 절반 수준으로 매우 작다. 따라서 향상된 스위칭 성능과 낮은 스위칭 손실을 얻을 수 있다. UniFET II MOSFET은 또한 바디 다이오드의 역회복 동작시 우수한 dv/dt 내량과 역회복 성능을 제공한다. 따라서 특히 바디 다이오드의 성능이 중요시되는 시스템 응용에서 보다 향상된 신뢰도를 얻을 수 있다.
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