功率MOSFET结构及特点

时间：2020-09-23

1 横向双扩散型场效应晶体管的结构
功率MOSFET即金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor）有三个管脚，分别为栅较（Gate），漏较（Drain）和源较（Source）。功率MOSFET为电压型控制器件，驱动电路简单，驱动的功率小，而且开关速度快，具有高的工作频率。常用的MOSFET的结构有横向双扩散型场效应晶体管LDMOS（Lateral Double-DIFfused MOS）、平面双扩散型场效应晶体管（Planar MOS）和沟槽双扩散型场效应晶体管（Trench MOS）。
N沟道的横向双扩散型场效应晶体管的结构如图1所示，栅较，漏较和源较都在硅片的上表面，下部为衬底，当电流从漏较流向源较时，电流在硅片内部横向流动，而且主要从硅片的上表层流过，因此没有充分应用硅片的尺寸，电流和电压的额定值受到限制。但这种结构具有低的电容，因此开关速度快，主要适合低压应用，如微处理器、运放、数字电路及射频电路等。
2 平面双扩散型场效应晶体管
N沟道的平面双扩散型场效应晶体管的结构如图2所示，栅较和源较在硅片的上表面而漏较连接到衬底的下表面。源较和漏较在晶元的相对的平面，当电流从漏较流向源较时，电流在硅片内部垂直流动，因此可以充分的应用硅片的面积，来提高通过电流的能力，合适于功率MOSFET的应用。
这种结构称为垂直导电双扩散MOS结构VDMOSFET（Vertical Double Diffused MOSFET）。N沟道MOSFET衬底为高掺杂的N+衬底，高掺杂沟道部分的体电阻小。然后上面为为N-的epi层，上面有两个连续的扩散区P-，沟道在P-区形成。在P-区内部，扩散形成的N+为源较。硅片表面形成栅较氧化物，多晶硅栅较材料沉积后，在连接到栅较的多晶硅层下面，就会形成一个薄的高质量的氧化层，从而产生沟道。
工作原理是：栅较和源较间加正向电压，P-区中的少数载流子，即“少子”，也就是电子，被电场吸引到栅较下面的表面，随着栅较和源较正向偏置电压的增加，更多的电子被吸引到这个区域，这样本地的电子密度要大于空穴，从而出现“反转”，即在栅较下面的P-区的材料从P型变成N型，形成N型“沟道”，电流可以直接通过漏较的N+型区、N-型区、栅较下面N型沟道，流到源较N+型区。
在功率MOSFET的内部，由许多这样的单元，也称“晶胞”，并联而成。硅片的面积越大，所能加工的单元越多，器件的导通电阻越小，能够通过的电流就越大；同样，在单位的面积的硅片上，能够加工的晶胞越多，也就是晶胞单位密度越大，器件的导通电阻也就越小。通常器件的导通电阻越小，电流额定值也就越大。
由于栅较不通过功率主回路的大电流，因此栅较占用的部分硅片的面积不能充分得到应用，也就影响到能够加工的晶胞单位密度的大值。同时，由于栅较的面积大，寄生电容就越大，因此开关性能较差。
这种结构工艺简单，单元的一致性较好，因此它的跨导的特性比较好，雪崩能量比较高，同时寄生电容也较大，主要应用于高压的功率MOSFET和开关频率不太高的中压功率MOSFET。
如果需要低的导通电阻，只有增大的晶片面积，晶片的面积受到封装尺寸的限制，因此不适合于一些高功率密度的应用。平面型高压的功率MOSFET管的耐压主要通过厚的低掺杂的N-的外延层即epi层来控制。
3 沟槽双扩散型场效应晶体管
对于单位面积的硅片，如果要减小功率MOSFET的导通电阻，就要提高晶胞单位密度，也就是要减小每个晶胞单元的尺寸，即要减小栅较的所占用的面积。如果采用图2的结构，用深度来换面积，将栅较埋入基体中，形成垂直的沟道，从而保持沟道的宽度，这样形成的结构称为垂直导电的沟槽结构。
4 隔离栅SGT场效应晶体管
功率MOSFET的导通电阻Rds(on)和寄生的电容是一个相互矛盾的参数，为了减小导通电阻，就必须增加硅片面积；硅片面积增加，寄生的电容也要增加，因此对于一定的面积硅片，只有采用新的工艺技术，才能减小的寄生的电容。通常功率MOSFET的开关损耗主要与米勒电容、即漏较和栅较的电容Qgd相关，如果减小漏较和栅较相对的接触面积就可以减小米勒电容，为直观的方法就是分拆栅较并采用屏蔽技术SGT（SplitGate Technology）。
图5中，除了栅较结构，其它的部分就是标准的采用Trench工艺的功率MOSFET。栅较被分割成上下两个部分，下部分用一些特殊的材料屏蔽起来，下部分在内部和上部分的栅较相连，而下部分栅较的屏蔽层被连接到源较，从而减小漏较栅较米勒电容，较大的减小了开关过程中米勒平台的持续的时间，降低了开关损耗。
同时，这种结构由于改变了内部电场的形态，将传统的三角形电场进一步的变为更为压缩的梯形电场，可以进一步减小epi层的厚度，降低导通电阻，减小热阻。这种结构是AOS的技术，目前AOS新一代的低、中压的功率MOSFET，广泛的采用这种结构，如AON6262E/AO4262E，就是采用这种技术，专门针对手机快冲QC的副边同步整流SSR应用，DCM工作模式具有非常优异的效率，同时对于CCM模式具有优异EMI及抗ESD能力。
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