MOSFET的结构和特点

(LDMOS)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 Field Effect 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

(Planar MOS)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。源极和漏极在晶圆的相对的平面，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，沟道电阻和晶圆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Vgs(th)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，RS , RCH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RDS(ON)由于下面几个部分组成：

RS : 源极电阻

RCH : 沟道电阻

RJFET : JFET区电阻

REPI : 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