不一样的开关丨MOS管的不同工艺和特征

2024-04-01 16:47

上篇文章为大家讲解了MOS管的工作原理，也初步展示了MOS管的结构；而今天的主题是MOS管的不同工艺和特征，本文会描述市面上常见几种工艺：VDMOS（垂直导电双扩散型场效应晶体管）、Trench MOSFET（沟槽型）、SGT MOSFET（屏蔽栅沟槽）和 SJ MOSFET（超结）。

MOSFET的最常见也是最典型的平面栅结构包含以下几个主要部分:

图1

栅极（Gate）：它是MOSFET的控制元件，用于控制沟道的开启和关闭,对应管脚一个。

源极（Source）：它是MOSFET的输入端电子的来源，对应管脚一个。

漏极（Drain）：它是电子的流出口，对应管脚一个。

衬底（Substrate）：衬底是MOSFET的底层材料，它为MOSFET的导电通道提供载流子。

氧化物绝缘层（Oxide Insulator）：通常是SiO2,置于源漏区与栅极之间，用来绝缘。

1.垂直导电双扩散型场效应晶体管（VDMOS）

在VDMOS结构中，漏端和源端、栅端不在同一平面（图2）。

VDMOS结构中沟道是垂直的，而栅极是平面的。这种设计具有以下优点：

·更高的耐压能力：垂直沟道可以承受更高的电压，从而提高了MOSFET的耐压能力。

·更小的面积：垂直沟道使MOSFET的面积更小，成品的封装体积能够做到更小。

·更低的寄生电容：垂直沟道可以使MOSFET的栅极金属面积更小，寄生电容更低，从而提高了开关速度。

2.Trench mos（沟槽型）

沟槽型MOS的栅极是向内挖出一个槽，然后在这个槽里面填入氧化硅，这个工序叫做栅极氧化。

图3

和平面栅的MOSFET相比，沟槽栅MOSFET通过构建沟槽结构，穿过了P型基区的最下端，形成的沟道位于N+源极与N漂移区之间，消除了JFET区域，也消除了JFET电阻，因此总的特征电阻相比平面栅结构大大降低。

3.SGT MOS（屏蔽栅沟槽）

SGT-MOS是对Trench MOS的一种改良结构，通常适用于中低压场景（如图4）。较传统Trench MOSFET，SGT-MOSFET在栅电极下方增加了一块多晶硅电极，即屏蔽电极或称耦合电极。屏蔽电极与源电极相连，即实现了屏蔽栅极与漂移区的作用，减小了米勒电容，器件的开关速度得以加快，同时又实现了电荷耦合效应，减小了漂移区临界电场强度，器件的导通电阻得以减小，开关损耗能够更低。

图4

4.SJ MOS（超结）

在功率MOS方面，相对于常规 VDMOS器件结构， RDS(on)与BVSS存在矛盾关系，要想提高BVSS，一般都是从减小EPI掺杂浓度着手（Epi掺杂是指在品圆表面沉积一层掺杂材料，以改变晶圆的导电性能。通过控制掺杂材料的种类和浓度，可以实现对品圆电性能的精确调控），但是外延层又是正向电流流通的通道，EPI 掺杂浓度减小了，电阻必然变大，RDS(on)增大。否则就需要增大芯片面积，增大封装外形，增加大量成产成本。所以对于普通 VDMOS，两者之间的矛盾不可调和。

采用超结(Super Junction，简称SJ)工艺的高压功率MOSFET，是通过设置一个深入EPI层的P柱区，通过提高电流传导区的掺杂浓度，显著降低单位面积导通电阻，但同时又不使耐压受到影响，从而使其成为具有高耐压和低电阻特性的一种新型器件，结构图见图5。特殊的超结结构让高压超结MOSFET的内阻在同样面积情况下降低到传统平面MOSFET的1/5，开关损耗因此减为普通的VDMOSFET的1/2。

与传统的功率 MOSFET相比，SJ-MOSFET具有传导损耗低、电流驱动能力大、栅极电荷低、开启电压低、开关速度快等优点。