[논문]산업용 모터 구동을 위한 고내압 저전력 Power MOSFET 최적화 설계에 관한 연구

김범준; 정헌석; 김성종; 정은식; 강이구

doi:10.4313/jkem.2012.25.3.170

[국내논문] 산업용 모터 구동을 위한 고내압 저전력 Power MOSFET 최적화 설계에 관한 연구
A Study on High-voltage Low-power Power MOSFET of Optimization for Industrial Motor Drive 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.3, 2012년, pp.170 - 175

김범준 (극동대학교 대학원 에너지반도체학과) , 정헌석 (극동대학교 대학원 에너지반도체학과) , 김성종 (극동대학교 대학원 에너지반도체학과) , 정은식 (고려대학교 전기공학과) , 강이구 (극동대학교 대학원 에너지반도체학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Power MOSFET is develop in power savings, high efficiency, small size, high reliability, fast switching, low noise. Power MOSFET can be used high-speed switching transistors devices. Recently attention to the motor and the application of various technologies. Power MOSFET is devices the voltage-driven approach switching devices are design to handle on large power, power supplies, converters, motor controllers. In this paper, design the 600 V Planar type, and design the trench type for realization of low on-resistance. For both structures, by comparing and analyzing the results of the simulation and characterization.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 600 V급 planar 및 trench타입의 power MOSFET를 설계하고 각각의 구조에 대해 simulation을 통해 항복 전압 및 온 저항 특성을 분석하였으며, 분석 결과를 바탕으로 고내압·저전력에 최적화된 power MOSFET을 설계하고자 하였다.

제안 방법

600 V급 planar타입과 trench타입의 MOSFET의 최종적인 소자 최적화 결과를 비교한 것이다. Planar 타입은 V_th(V) : 3.
Cell pitch에 따라 게이트 넓이를 줄였으며 측정조건은 cell pitch 8∼6.25 um 게이트 넓이는 cell pitch에 비례하여 2.3 um씩 줄여 5.7∼3.95 um로 설계하였다.
JFET 도우즈가 증가할 경우 P베이스 접합과의 공핍층 면적을 축소시키는 요인으로 작용하기 때문에 온 저항이 낮아지게 되나 공핍층 면적 축소로 인하여 항복전압이 낮아지는 현상을 볼 수 있다. JFET 도우즈가 1.2E12 cm^-2일 때가 항복전압이 720 V를 넘었으며 1.0E12 cm^-2 보다 온 저항이 낮았기에 이에 진행하였다.
Planar타입과 비교하기 위해서 같은 비저항값과 cell pitch로 시뮬레이션 하였고 게이트 깊이는 3.5∼5 um로 조건을 주었다.
낮은 온 저항과 높은 항복전압을 얻기 위해 600 V 급 planar타입과 trench타입을 설계하여 같은 비저항에 각각의 조건을 주어 시뮬레이션 하였다. Trench타입은 planar타입에 비해 게이트부분이 JFET영역을 없애 JFET영역에 걸리는 온 저항을 낮출 수 있게 해주며 더불어 드리프트 영역의 저항까지 축소시켜 낮은 온 저항을 가짐으로써 전력 공급의 손실을 줄이고, 효율을 높여줌을 알 수 있었다.
하지만 너무 깊게 식각하게 되면 항복전압 또한 낮아지게 되는 현상이 발생하게 된다. 이에 유의하여 시뮬레이션을 하였다.
최적화된 비저항과 JFET 도우즈를 고정하고 게이트 넓이는 4∼6.5 um까지 조건을 주어 실험을 하였다.
게이트 깊이가 깊어지면 JFET영역의 저항과 드리프트 영역의 저항을 축소시킬 수 있기 때문이다. 하지만 게이트가 깊어지면 전 계가 균일하게 증가되지 못하고 게이트식각 깊이 증가 부분에 전계가 집중되어 항복전압이 떨어지게 되어 본 시뮬레이션에서는 4.0 um가 적합하다고 판단되어 기준을 잡아 진행하였다.

대상 데이터

항복전압이 600 V급인 소자를 목표로 하였으며 시뮬레이션 마진을 20%로 하여 항복전압 결과가 720 V 이상으로 선정했다. 비저항값의 증가에 따른 항복전압의 증가분에 비해 온 저항의 증가분이 많기 때문에 비저항값이 22 Ωcm²인 경우가 가장 적합하다고 판단하여 이 값을 기준으로 했다.

성능/효과

낮은 온 저항과 높은 항복전압을 얻기 위해 600 V 급 planar타입과 trench타입을 설계하여 같은 비저항에 각각의 조건을 주어 시뮬레이션 하였다. Trench타입은 planar타입에 비해 게이트부분이 JFET영역을 없애 JFET영역에 걸리는 온 저항을 낮출 수 있게 해주며 더불어 드리프트 영역의 저항까지 축소시켜 낮은 온 저항을 가짐으로써 전력 공급의 손실을 줄이고, 효율을 높여줌을 알 수 있었다. 결과적으로 planar타입 보다 trench 타입으로 저전력 구현을 가능하게 되었다는 것을 알 수 있었다.
Trench타입은 planar타입에 비해 게이트부분이 JFET영역을 없애 JFET영역에 걸리는 온 저항을 낮출 수 있게 해주며 더불어 드리프트 영역의 저항까지 축소시켜 낮은 온 저항을 가짐으로써 전력 공급의 손실을 줄이고, 효율을 높여줌을 알 수 있었다. 결과적으로 planar타입 보다 trench 타입으로 저전력 구현을 가능하게 되었다는 것을 알 수 있었다.
95 um로 설계하였다. 항복전압, 온 저항의 큰 차이는 없었으나 소자 셀의 길이를 줄임으로써 planar타입에 비하여 net die 당 효율을 높일 수 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	JFET (junction field effect transistor) 도우즈가 증가할 경우 무엇을 축소시키는 요인으로 작용하는가?	0E12 cm-2까지 조건을 주었다. JFET 도우즈가 증가할 경우 P베이스 접합과의 공핍층 면적을 축소시키는 요인으로 작용하기 때문에 온 저항이 낮아지게 되나 공핍층 면적 축소로 인하여 항복전압이 낮아지는 현상을 볼 수 있다. JFET 도우즈가 1.
	Power MOSFET은 어디에 사용되는가?	Power MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor)은 전압 구동 방식으로 동작하는 소자이며, 큰 전력을 처리하기 위해 설계된 스위칭 디바이스로써 전원 공급 장치, 변환기, 모터 제어기 등에 널리 사용된다. 산업용 모터 구동에 사용되는 power MOSFET은 낮은 온 저항을 가지기 때문에 동작 상태에서 전력 전달 손실을 줄여줌으로써 효율을 높일 수 있으며, 결과적으로 저전력 구현을 가능하게 한다.
	Power MOSFET은 무슨 방식으로 동작하는가?	Power MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor)은 전압 구동 방식으로 동작하는 소자이며, 큰 전력을 처리하기 위해 설계된 스위칭 디바이스로써 전원 공급 장치, 변환기, 모터 제어기 등에 널리 사용된다. 산업용 모터 구동에 사용되는 power MOSFET은 낮은 온 저항을 가지기 때문에 동작 상태에서 전력 전달 손실을 줄여줌으로써 효율을 높일 수 있으며, 결과적으로 저전력 구현을 가능하게 한다.

참고문헌 (6)

E. G. Kang and M. Y. Sung, J. KIEEME, 15, 758 (2002).

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T. J. Nam, H. S. Chung, and E. G. Kang, J. KIEEME, 24, 713 (2011).

원문보기 상세보기
B. J. Baliga, Power Semiconductor Devices (PWS Publishing Company, New York, 1996).
N. Keskar, M. Trivedi, and K. Shenai, Device Reliability and Robust Power Converter Evelopment, (Microelectron. Reliab., 1999) p. 1121.

상세보기
S. S. Kyoung, J. H. Seo, Y. H. Kim, J. S. Lee, E. G. Kang, and M. Y. Sung, J. KIEEME, 22, 12 (2009).

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H. S. Lee, E. G. Kang, A. R. Shin, H. H. Shin, and M. Y. Sung, KIEE, 7 (2006).

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