플로팅 아일랜드 구조의 전력 MOSFET의 전기적 특성 분석

강이구,Kang, Ey Goo 한국전기전자재료학회 2016 전기전자재료학회논문지 Vol.29 No.4

This paper was proposed floating island power MOSFET for lowering on state resistance and the proposed device was maintained 600 V breakdown voltage. The electrical field distribution of floating island power MOSFET was dispersed to floating island between P-base and N-drift. Therefore, we designed higher doping concentration of drift region than doping concentration of planar type power MOSFET. And so we obtain the lower on resistance than on resistance of planar type power MOSFET. We needed the higher doping concentration of floating island than doping concentration of drift region and needed width and depth of floating island for formation of floating island region. We obtained the optimal parameters. The depth of floating island was $32{\mu}m$. The doping concentration of floating island was $5{\times}1,012cm^2$. And the width of floating island was $3{\mu}m$. As a result of designing the floating island power MOSFET, we obtained 723 V breakdown voltage and $0.108{\Omega}cm^2$ on resistance. When we compared to planar power MOSFET, the on resistance was lowered 24.5% than its of planar power MOSFET. The proposed device will be used to electrical vehicle and renewable industry.

저전력 시스템에서 GaN HEMT와 Si MOSFET의 전력 손실 분석

김준형,권용성 한국산학기술학회 2022 한국산학기술학회논문지 Vol.23 No.9

Silicon-based power semiconductors have occupied most of the power electronics market, but due to their physical limitations, Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors (GaN HEMT) are drawing attention. However, since studies applying GaN HEMT have focused on high-power systems, theoretical analysis of low-power systems is lacking. Research that depends only on experimental results has limitations in application to various low-power systems. Therefore, this paper proposes a step-by-step power loss analysis for comparing the efficiency of a Si MOSFET and a GaN HEMT in a low-power system by using a buck converter topology that can charge cylindrical lithium-ion batteries. The causes of loss were expressed as equations, and the parameter values affecting them were measured. The loss tendency was analyzed, and a buck converter was designed to measure the efficiency for verification. The result shows the efficiency was improved 13% when a GaN HEMT was applied in 450 kHz operation. It is shown that GaN HEMT are more suitable than a Si MOSFET in low-power, high-frequency systems and that it is necessary to reduce switching losses for designing high-efficiency GaN HEMT applications. The power loss analysis can quantitatively evaluate the amount of loss and is expected to contribute to efficiency improvement when designing low-power systems. 전력변환시스템의 효율 개선에 관한 관심은 기존의 전력전자 시장의 대부분을 차지했던 실리콘(Si: silicon) 전력반도체의 물리적 한계로 인해 차세대 전력반도체라 불리는 질화갈륨 고속 전자 이동 트랜지스터(GaN HEMT: Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)에 관한 연구로 확대되고 있다. 하지만 GaN HEMT를 적용한 연구는 kW 급의 전력 시스템에 초점이 맞춰졌으며 소형 전자기기 적용을 위한 저전력 시스템에서의 이론적 분석은 부족한 실정이다. 이론적 분석 없이 실험 결과에만 의존하는 기존 저전력 시스템의 효율 개선 연구는 다양한 시스템 환경에 적용하기엔 한계가 존재한다. 따라서, 본 논문에서는 원통형 리튬이온배터리를 충전할 수 있는 벅컨버터 토폴로지를 선정하여 저전력 시스템에서 Si MOSFET과 GaN HEMT의 효율 비교를 위한 단계적 손실 분석방법을 제안한다. 저전력 시스템의 손실 요인을 전기적 특성값으로 모델링했고 손실에 영향을 미치는 파라미터값은 측정값을 사용했다. 계산된 손실값을 통해 각 전력반도체 소자에 따른 경향성을 분석했고, 이를 검증하기 위해 벅컨버터를 설계하여 주파수에 따른 효율을 측정했다. 측정결과, 450 kHz 스위칭 구동에서 Si MOSFET 대신 GaN HEMT를 적용했을 때 13 %의 효율이 개선됐다. 단계적 이론 분석과 실험 결과를 통해 저전력 고주파 시스템에서 Si MOSFET보다 GaN HEMT가 더 적합함을 보였고 초고전력밀도, 초고효율의 GaN HEMT 어플리케이션 설계를 위해서는 스위칭 손실의 저감이 필수임을 보였다. 본 논문에서 제안한 저전력 시스템에서의 이론적 손실 분석법은 손실량을 정량적으로 평가할 수 있어 GaN HEMT를 적용한 저전력 시스템 설계 시 효율 분석 및 개선에 기여할 것으로 기대된다.

1200V급 SiC 기반 트렌치 게이트 MOSFET의전기적 특성에 관한 연구

김유림,이동현,김민서,최진우,강이구 한국전기전자학회 2023 전기전자학회논문지 Vol.27 No.1

This research was carried out experiments with changing processes and design parameters to optimally designa SiC-based 1200V power MOSFET, and then, essential electrical characteristics were derived. In order to securethe excellence of the trench gate type SiC power MOSFET device to be designed, electrical characteristics werederived by designing it under conditions such as planner gate SiC power MOSFET, and it was compared with thetrench gate type SiC power MOSFET device. As a result of the comparative analysis, the on-resistance whilemaintaining the yield voltage was 1,840mΩ, for planner gate power MOSFET and to 40mΩ for trench gate powerMOSFET, respectively, indicating characteristics more than 40 times better. It was judged that excellent resultswere derived because the temperature resistance directly affects energy efficiency. It is predicted that the devicesoptimized through this experiment can sufficiently replace the IGBT devices generally used in 1200V class, andthat since the SiC devices are wide band gap devices, they will be widely used to apply semiconductors forvehicles using devices with excellent thermal characteristics. 본 연구에서는 SiC 기반의 1200V급 전력 MOSFET을 최적 설계하기 위하여 공정 및 설계 파라미터를 변화시키면서 실험을 수행한 후, 필수적인 전기적 특성을 도출하였다. 그리고 최종적으로 설계하고자 하는 트렌치 게이트형 SiC 전력 MOSFET 소자의 우수성을 확보하기 위하여 플래너 게이트 SiC 전력 MOSFET을 같은 조건하에 설계하여 전기적인 특성을 도출하여 트렌치 게이트형SiC 전력 MOSFET 소자와 비교 분석을 하였다. 비교 분석한 결과, 항복전압을 그대로 유지한 상태에서 온 저항은 각각 플래너게이트 전력 MOSFET은 1,840mΩ, 트렌치 게이트 전력 MOSFET는 40mΩ으로 약 40배 이상 우수한 특성을 도출하였다. 온 저항은에너지 효율에 직접적인 영향을 끼치는 바 에너지 효율에 있어 우수한 결과를 도출한 것으로 판단되었다. 본 실험을 통해 최적화된소자는 1200V급에 일반적으로 사용되었던 IGBT소자를 충분히 대체 가능한 것으로 판단되었다.

Optimal Design of Trench Power MOSFET for Mobile Application

Kang, Ey Goo The Korean Institute of Electrical and Electronic 2017 Transactions on Electrical and Electronic Material Vol.18 No.4

This research analyzed the electrical characteristics of an 80 V optimal trench power MOSFET (metal oxide field effect transistor) for mobile applications. The power MOSFET is a fast switching device in fields with low voltage(<100 V) such as mobile application. Moreover, the power MOSFET is a major carrier device that is not minor carrier accumulation when the device is turned off. We performed process and device simulation using TCAD tools such as MEDICI and TSUPREM. The electrical characteristics of the proposed trench gate power MOSFET such as breakdown voltage and on resistance were compared with those of the conventional power MOSFET. Consequently, we obtained breakdown voltage of 100 V and low on resistance of $130m{\Omega}$. The proposed power MOSFET will be used as a switch in batteries of mobile phones and note books.

Optimal Design of Trench Power MOSFET for Mobile Application

강이구 한국전기전자재료학회 2017 Transactions on Electrical and Electronic Material Vol.18 No.4

This research analyzed the electrical characteristics of an 80 V optimal trench power MOSFET (metal oxide field effecttransistor) for mobile applications. The power MOSFET is a fast switching device in fields with low voltage(<100 V) such asmobile application. Moreover, the power MOSFET is a major carrier device that is not minor carrier accumulation when thedevice is turned off. We performed process and device simulation using TCAD tools such as MEDICI and TSUPREM. Theelectrical characteristics of the proposed trench gate power MOSFET such as breakdown voltage and on resistance werecompared with those of the conventional power MOSFET. Consequently, we obtained breakdown voltage of 100 V and low onresistance of 130 mΩ. The proposed power MOSFET will be used as a switch in batteries of mobile phones and note books.

Deep Trench Filling 기술을 적용한 600 V급 Super Junction Power MOSFET의 최적화 특성에 관한 연구

이정훈,정은식,강이구,Lee, Jung-Hoon,Jung, Eun-Sik,Kang, Ey-Goo 한국전기전자재료학회 2012 전기전자재료학회논문지 Vol.25 No.4

Power MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor) operate voltage-driven devices, design to control the large power switching device for power supply, converter, motor control, etc. But on-resistance characteristics depending on the increasing breakdown voltage spikes is a problem. So 600 V planar power MOSFET compare to 1/3 low on-resistance characteristics of super junction MOSFET structure. In this paper design to 600 V planar MOSFET and super junction MOSFET, then improvement of comparative analysis breakdown voltage and resistance characteristics. As a result, super junction MOSFET improve on about 40% on-state voltage drop performance than planar MOSFET.

Schottky Body Diode를 집적하여 향상된 Reverse Recovery 특성을 가지는 50V Power MOSFET

이병화,조두형,김광수,Lee, Byung-Hwa,Cho, Doo-Hyung,Kim, Kwang-Soo 한국전기전자학회 2015 전기전자학회논문지 Vol.19 No.1

본 논문에서는 U-MOSFET 내부의 기생 body 다이오드(PN diode)를 쇼트키 body 다이오드(Schottky body diode)로 대체한 50V급 전력 U-MOSFET을 제안하였다. 쇼트키 다이오드는 PN 다이오드와 비교 시, 역 회복 손실(reverse recovery loss)을 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 전력 MOSFET의 기생 body 다이오드를 쇼트키 body 다이오드를 대신함으로써 역 회복 손실을 최소화 할 수 있다. 제안된 쇼트키 body 다이오드(Schottky body diode) U-MOSFET(SU-MOS)를 conventional U-MOSFET(CU-MOS)와 전기적 특성을 비교한 결과, 전달(transfer) 및 출력(output)특성, 항복(breakdown)전압 등 정적(static) 특성의 변화 없이 감소된 역 회복 손실을 얻을 수 있었다. 즉, 쇼트키 다이오드의 폭(width)이 $0.2{\mu}m$, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height)가 0.8eV일 때 첨두 역전류(peak reverse current)는 21.09%, 역 회복 시간(reverse recovery time)은 7.68% 감소하였고, 성능지수(figure of merit(FOM))는 35% 향상되었다. 제안된 소자의 특성은 Synopsys사의 Sentaurus TCAD를 사용하여 분석되었다. In this paper, 50V power U-MOSFET which replace the body(PN) diode with Schottky is proposed. As already known, Schottky diode has the advantage of reduced reverse recovery loss than PN diode. Thus, the power MOSFET with integrated Schottky integrated can minimize the reverse recovery loss. The proposed Schottky body diode U-MOSFET(SU-MOS) shows reduction of reverse recovery loss with the same transfer, output characteristic and breakdown voltage. As a result, 21.09% reduction in peak reverse current, 7.68% reduction in reverse recovery time and 35% improvement in figure of merit(FOM) are observed when the Schottky width is $0.2{\mu}m$ and the Schottky barrier height is 0.8eV compared to conventional U-MOSFET(CU-MOS). The device characteristics are analyzed through the Synopsys Sentaurus TCAD tool.

Gate 전하를 감소시키기 위해 Separate Gate Technique을 이용한 Trench Power MOSFET

조두형,김광수,Cho, Doohyung,Kim, Kwangsoo 한국전기전자학회 2012 전기전자학회논문지 Vol.16 No.4

이 논문에서 Trench Power MOSFET의 스위칭 성능을 향상시키기 위한 Separate Gate Technique(SGT)을 제안하였다. Trench Power MOSFET의 스위칭 성능을 개선시키기 위해서는 낮은 gate-to-drain 전하 (Miller 전하)가 요구된다. 이를 위하여 제안된 separate gate technique은 얇은(~500A)의 poly-si을 deposition하여 sidewall을 형성함으로서, 기존의 Trench MOSFET에 비해 얇은 gate를 형성하였다. 이 효과로 gate와 drain에 overlap 되는 면적을 줄일 수 있어 gate bottom에 쌓이는 Qgd를 감소시키는 효과를 얻었고, 이에 따른 전기적인 특성을 Silvaco T-CAD silmulation tool을 이용하여 일반적인 Trench MOSFET과 성능을 비교하였다. 그 결과 Ciss(input capacitance : Cgs+Cgd), Coss(output capacitance : Cgd+Cds) 및 Crss(reverse recovery capacitance : Cgd) 모두 개선되었으며, 각각 14.3%, 23%, 30%의 capacitance 감소 효과를 확인하였다. 또한 inverter circuit을 구성하여, Qgd와 capacitance 감소로 인한 24%의 reverse recovery time의 성능향상을 확인하였다. 또한 제안된 소자는 기존 소자와 비교하여 어떠한 전기적 특성저하 없이 공정이 가능하다. In this paper, We proposed Separate Gate Technique(SGT) to improve the switching characteristics of Trench power MOSFET. Low gate-to-drain 전하 (Miller 전하 : Qgd) has to be achieved to improve the switching characteristics of Trench power MOSFET. A thin poly-silicon deposition is processed to form side wall which is used as gate and thus, it has thinner gate compared to the gate of conventional Trench MOSFET. The reduction of the overlapped area between the gate and the drain decreases the overlapped charge, and the performance of the proposed device is compared to the conventional Trench MOSFET using Silvaco T-CAD. Ciss(input capacitance : Cgs+Cgd), Coss(output capacitance : Cgd+Cds) and Crss(reverse recovery capacitance : Cgd) are reduced to 14.3%, 23% and 30% respectively. To confirm the reduction effect of capacitance, the characteristics of inverter circuit is comprised. Consequently, the reverse recovery time is reduced by 28%. The proposed device can be fabricated with convetional processes without any electrical property degradation compare to conventional device.

산업 파워 모듈용 900 V MOSFET 개발

정헌석 한국전기전자재료학회 2020 전기전자재료학회논문지 Vol.33 No.2

A power device is a component used as a switch or rectifier in power electronics to control high voltages. Consequently, power devices are used to improve the efficiency of electric-vehicle (EV) chargers, new energy generators, welders, and switched-mode power supplies (SMPS). Power device designs, which require high voltage, high efficiency, and high reliability, are typically based on MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) and IGBT (insulated-gate bipolar transistor) structures. As a unipolar device, a MOSFET has the advantage of relatively fast switching and low tail current at turn-off compared to IGBT-based devices, which are built on bipolar structures. A superjunction structure adds a p-base region to allow a higher yield voltage due to lower RDS (on) and field dispersion than previous p-base components, significantly reducing the total gate charge. To verify the basic characteristics of the superjunction, we worked with a planar type MOSFET and Synopsys’ process simulation T-CAD tool. A basic structure of the superjunction MOSFET was produced and its changing electrical characteristics, tested under a number of environmental variables, were analyzed. 본 논문에서는 기존의 일반적인 온 저항이 급격히 줄어든 MOSFET 900V 초접합 MOSFET의 최적화를 진행하여, 해당되는 최적의 설계 및 공정 파라미터를 도출하였다. SiC MOSFET이 대체되고 있는 상황에서 Si 기반으로 온 저항을 낮출 수 있는 소자이며, 같은 크기의 웨이퍼에서 생산효율을 높일 수 있는 소자라고 할 수 있다. 이와 같은 파라미터를 이용하여 전기적인 특성을 분석한 결과, 항복전압은 1080V, 온저항은 690mΩ을 갖는 우수한 특성을 보이고 있다. 본 논문에서 제안한 소자는 전기 및 하이브리드 자동차의 부품으로 충분히 활용 가능할 것으로 생각한다.

전력용 반도체 소자의 과열보호시스템 설계 및 구현

최낙권,이상훈,Choi, Nak-Gwon,Lee, Sang-Hoon 한국융합신호처리학회 2010 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.11 No.2

본 논문에서는 전력용 반도체 소자를 위한 과열보호시스템의 설계 및 구현에 관한 내용을 다룬다. 제안된 시스템은 전력용 반도체 소자의 온도를 검출하기 위해서 별도의 온도센서나 트랜지스터를 사용하는 기존의 방법과 달리 파워 MOSFET의 $R_{ds(on)}$ 특성만을 이용한다. 과열보호를 위한 제안된 방법은 IRF840 파워 MOSFET를 이용하여 성공적으로 시험되었다. 제안된 과열보호 알고리즘을 구현하기 위해 PIC 마이크로컨트롤러인 PIC16F877A 소자를 사용하였다. 내장된 10-bit A/D 변환기는 IRF840의 소스와 드레인 전압변화를 검출하기 위해 이용된다. 측정된 소스-드레인 간 전압으로부터 도출된 온도-저항 간의 관계식은 파워 MOSFET의 게이트 트리거 신호를 제어한다. 만약 검출된 온도 전압의 임계값이 설정된 임의의 보호온도 전압 값을 초과할 때 마이크로컨트롤러는 파워 MOSFET으로부터 트리거 신호를 제거시켜 파워 MOSFET이 과열되는 것을 방지한다. 실험결과는 제안된 시스템이 정확도 측면에서 1.5%의 오차 이내로 정확함을 보여주었다. This paper presents the practical implementation of an over-temperature protection system for power semiconductor devices. In the proposed system, temperature variation is provided with just using $R_{ds(on)}$ characteristics of power MOSFET, while extra device such as a temperature sensor or an over-temperature detection transistor is needed to monitor the temperature in the conventional method. The proposed protection technique is experimentally tested on IRF840 power MOSFET. The PIC microcontroller PIC16F877A is used for the implementation of the proposed protection algorithm. The built-in 10-bit A/D converter is utilized for detecting voltage variance between a drain and a source of IRF840. The induced temperature-resistance relationship based on the measured drain-source voltage, supplies a gate signal to the power MOSFET. If detected temperature's voltage exceeds any a protection temperature's voltage, the microcontroller removes the trigger signal from the power MOSFET. These test results showed satisfactory performances of the proposed protection system in term of accuracy within 1.5%.