功率MOSFET结构及特点

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，分别为栅极（Gate），漏极（Drain）和源极（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，栅极，漏极和源极都在硅片的上表面，下部为衬底，当电流从漏极流向源极时，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。

图 1：N 沟道横向导电的平面结构

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，栅极和源极在硅片的上表面而漏极连接到衬底的下表面。源极和漏极在晶元的相对的平面，当电流从漏极流向源极时，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+为源极。硅片表面形成栅极氧化物，多晶硅栅极材料沉积后，在连接到栅极的多晶硅层下面，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：栅极和源极间加正向电压，P-区中的少数载流子，即“少子”，也就是电子，被电场吸引到栅极下面的表面，随着栅极和源极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”，即在栅极下面的 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极的 N+型区、N-型区、栅极下面 N 型沟道，流到源极 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。

由于栅极不通过功率主回路的大电流，因此栅极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最大值。同时，由于栅极的面积大，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。

图 2：N 沟道垂直导电的平面结构及 Rdson 组成

在低压器件中，由于 N-外延层比较薄，N+层和漏极的金属衬底对通态的电阻影响大；大于 100V 的器件，N-外延层是通态电阻主要组成部分。低压器件中，沟道电阻和晶元之间的区域也会对通态电阻产生影响。

沟道电阻主要依赖于栅极驱动程度。Vgs 增加，Rdson 减小。开始时，当 Vgs 增到阈值电压 Vth 以上时，Rdson 很快降减小，表明 MOSFET 沟道导通。当 Vgs 进一步增加，Rdson 下降比较来缓，因为沟道完全导通，MOSFET 导通电阻由其它的电阻组成部分决定。

当器件缩小到更小的尺寸，R_S , R_CH也减小，因为更多的单个的单元晶胞将堆积在给定的硅片区。另一方面，P+区域夹在两个 N 区域之间，当电流被限制在靠近 P-体区域的狭窄的 N-区中流过时，将产生 JFET 效应，即把各晶胞的 P-基区所夹住的那部分看为 JFET，是结型场效应晶体管（Junction FET）的简称，产生一个寄生的 JFET，结型场效应管是以 PN 结上的电场来控制所夹沟道中的电流，从而增加通态电阻。

平面 MOSFET 的 R_DS(ON)由于下面几个部分组成：

R_S : 源极电阻

R_CH : 沟道电阻

R_JFET : JFET 区电阻

R_EPI : 硅片顶层电阻，外延硅 epi，epi 控制着 MOSFET 可以承受的阻断电压的值

R_SUBS : 硅衬底电阻，epi 从它上面生长。

3、沟槽双扩散型场效应晶体管

从图 2 的结构知道，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，即要减小栅极的所占用的面积。如果采用图 2 的结构，用深度来换面积，将栅极埋入基体中，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。

图 3：N 沟道垂直导电的沟槽结构及 Rdson 组成

工作原理是：栅极和源极间加正向电压时，在 P-和栅极相邻的区域，形成垂直的沟道，电流从漏极流向源极时，同样的，电流垂直流过硅片内部，可以看到，栅极的宽度远小于垂直导电的平面结构，因此具有更小的单元的尺寸，导通电阻更小。常用的沟槽有 U 型沟槽和 V 型沟槽，U 型沟槽使用更多。

这种结构由于要开沟槽，工艺复杂，单元的一致性，跨导的特性和雪崩能量比垂直导电的平面结构稍差，但对于同样面积的硅片，它的导通电阻更低，寄生电容小，适合于低压的功率 MOSFET，应用于高频非隔离的 DCDC 变换器，以提高系统的效率，降低系统的体积。AOS 的AON6240就是采用这种技术，电压40V，Rdson=1.6m，广泛的应用于通讯模块电源的副边同步整流。

沟漕和平面型 MOSFET 的 R_DS(ON)组成部分主要的不同在于出现 JFET 部分，沟漕型由于没有 JFET 效应，可以得到更高密度的缩减，实现低的 R_DS(ON)。

沟漕 MOSFET 的 R_DS(ON)由于下面几个部分组成：

R_S：源极电阻

R_CH：沟道电阻，栅极下沟道的电阻。

R_ACC：聚集区电阻

R_EPI：硅片顶层的电阻，外延硅即 epi 层，在原始的低阻衬底(substrate)硅片上向外延伸一层高阻层，其控制着 MOSFET 可以承受的阻断电压值。

R_SUBS: 硅衬底电阻，epi 从它上面生长。

三种结构的导通电阻和 Qgd 关系如图 4 所示。

图 4：三种结构的导通电阻和 QGD 关系

名词解释

JFET 效应：在平面 MOSFET 沟道中，二边的 P 区中间夹着一个 N 区，由于二个 P 区在外面通过 S 极连在一起，因此，这个结构形成了标准的 JFET 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、即漏极和栅极的电容 Qgd 相关，如果减小漏极和栅极相对的接触面积就可以减小米勒电容，最为直观的方法就是分拆栅极并采用屏蔽技术 SGT（SplitGate Technology）。

图 5 中，除了栅极结构，其它的部分就是标准的采用 Trench 工艺的功率 MOSFET。栅极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极相连，而下部分栅极的屏蔽层被连接到源极，从而减小漏极栅极米勒电容，极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 的专利技术，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。

图 5：采用 SGT 新型功率 MOSFET 结构

扫码关注尚为网微信公众号