功率MOSFET結(jié)構及特點

時間：2020-09-23作者：深圳市九亨電子有限公司瀏覽：55

1 橫向雙擴散型場效應晶體管的結(jié)構
功率MOSFET即金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor）有三個管腳，分別為柵較（Gate），漏較（Drain）和源較（Source）。功率MOSFET為電壓型控制器件，驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動的功率小，而且開關速度快，具有高的工作頻率。常用的MOSFET的結(jié)構有橫向雙擴散型場效應晶體管LDMOS（Lateral Double-DIFfused MOS）、平面雙擴散型場效應晶體管（Planar MOS）和溝槽雙擴散型場效應晶體管（Trench MOS）。
N溝道的橫向雙擴散型場效應晶體管的結(jié)構如圖1所示，柵較，漏較和源較都在硅片的上表面，下部為襯底，當電流從漏較流向源較時，電流在硅片內(nèi)部橫向流動，而且主要從硅片的上表層流過，因此沒有充分應用硅片的尺寸，電流和電壓的額定值受到限制。但這種結(jié)構具有低的電容，因此開關速度快，主要適合低壓應用，如微處理器、運放、數(shù)字電路及射頻電路等。
2 平面雙擴散型場效應晶體管
N溝道的平面雙擴散型場效應晶體管的結(jié)構如圖2所示，柵較和源較在硅片的上表面而漏較連接到襯底的下表面。源較和漏較在晶元的相對的平面，當電流從漏較流向源較時，電流在硅片內(nèi)部垂直流動，因此可以充分的應用硅片的面積，來提高通過電流的能力，合適于功率MOSFET的應用。
這種結(jié)構稱為垂直導電雙擴散MOS結(jié)構VDMOSFET（Vertical Double Diffused MOSFET）。N溝道MOSFET襯底為高摻雜的N+襯底，高摻雜溝道部分的體電阻小。然后上面為為N-的epi層，上面有兩個連續(xù)的擴散區(qū)P-，溝道在P-區(qū)形成。在P-區(qū)內(nèi)部，擴散形成的N+為源較。硅片表面形成柵較氧化物，多晶硅柵較材料沉積后，在連接到柵較的多晶硅層下面，就會形成一個薄的高質(zhì)量的氧化層，從而產(chǎn)生溝道。
工作原理是：柵較和源較間加正向電壓，P-區(qū)中的少數(shù)載流子，即“少子”，也就是電子，被電場吸引到柵較下面的表面，隨著柵較和源較正向偏置電壓的增加，更多的電子被吸引到這個區(qū)域，這樣本地的電子密度要大于空穴，從而出現(xiàn)“反轉(zhuǎn)”，即在柵較下面的P-區(qū)的材料從P型變成N型，形成N型“溝道”，電流可以直接通過漏較的N+型區(qū)、N-型區(qū)、柵較下面N型溝道，流到源較N+型區(qū)。
在功率MOSFET的內(nèi)部，由許多這樣的單元，也稱“晶胞”，并聯(lián)而成。硅片的面積越大，所能加工的單元越多，器件的導通電阻越小，能夠通過的電流就越大；同樣，在單位的面積的硅片上，能夠加工的晶胞越多，也就是晶胞單位密度越大，器件的導通電阻也就越小。通常器件的導通電阻越小，電流額定值也就越大。
由于柵較不通過功率主回路的大電流，因此柵較占用的部分硅片的面積不能充分得到應用，也就影響到能夠加工的晶胞單位密度的大值。同時，由于柵較的面積大，寄生電容就越大，因此開關性能較差。
這種結(jié)構工藝簡單，單元的一致性較好，因此它的跨導的特性比較好，雪崩能量比較高，同時寄生電容也較大，主要應用于高壓的功率MOSFET和開關頻率不太高的中壓功率MOSFET。
如果需要低的導通電阻，只有增大的晶片面積，晶片的面積受到封裝尺寸的限制，因此不適合于一些高功率密度的應用。平面型高壓的功率MOSFET管的耐壓主要通過厚的低摻雜的N-的外延層即epi層來控制。
3 溝槽雙擴散型場效應晶體管
對于單位面積的硅片，如果要減小功率MOSFET的導通電阻，就要提高晶胞單位密度，也就是要減小每個晶胞單元的尺寸，即要減小柵較的所占用的面積。如果采用圖2的結(jié)構，用深度來換面積，將柵較埋入基體中，形成垂直的溝道，從而保持溝道的寬度，這樣形成的結(jié)構稱為垂直導電的溝槽結(jié)構。
4 隔離柵SGT場效應晶體管
功率MOSFET的導通電阻Rds(on)和寄生的電容是一個相互矛盾的參數(shù)，為了減小導通電阻，就必須增加硅片面積；硅片面積增加，寄生的電容也要增加，因此對于一定的面積硅片，只有采用新的工藝技術，才能減小的寄生的電容。通常功率MOSFET的開關損耗主要與米勒電容、即漏較和柵較的電容Qgd相關，如果減小漏較和柵較相對的接觸面積就可以減小米勒電容，為直觀的方法就是分拆柵較并采用屏蔽技術SGT（SplitGate Technology）。
圖5中，除了柵較結(jié)構，其它的部分就是標準的采用Trench工藝的功率MOSFET。柵較被分割成上下兩個部分，下部分用一些特殊的材料屏蔽起來，下部分在內(nèi)部和上部分的柵較相連，而下部分柵較的屏蔽層被連接到源較，從而減小漏較柵較米勒電容，較大的減小了開關過程中米勒平臺的持續(xù)的時間，降低了開關損耗。
同時，這種結(jié)構由于改變了內(nèi)部電場的形態(tài)，將傳統(tǒng)的三角形電場進一步的變?yōu)檩^為壓縮的梯形電場，可以進一步減小epi層的厚度，降低導通電阻，減小熱阻。這種結(jié)構是AOS的技術，目前AOS新一代的低、中壓的功率MOSFET，廣泛的采用這種結(jié)構，如AO**262E/AO4262E，就是采用這種技術，專門針對手機快沖QC的副邊同步整流SSR應用，DCM工作模式具有非常優(yōu)異的效率，同時對于CCM模式具有優(yōu)異EMI及抗ESD能力。
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  詞條說明

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