元胞Cell布局是功率半导体的核心设计要素,直接影响了导通电阻、开关速度、耐压以及可靠性等电气性能。不同的元胞设计通过优化载流子分布、电流路径、电场分布等使得器件在某些性能上有达到优化。
所以,早期研究人员对功率MOS和IGBT提出并验证了多种元胞设计的布局:

阴影部分为多晶硅Poly
目前大多数产品均以条形元胞设计,以下先介绍条形元胞中器件电阻组成,并以此为base,再介绍其它元胞与之比较。
条形元胞
以下是一个典型的VDMOS的元胞截面图,它的电阻组成如下:
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R S_C :是源极接触电阻;R N+ :源区电阻;Rch:沟道电阻;R JFET 区电阻;R D 漂移区电阻;Rsub衬底电阻;R D_C :漏极接触电阻;
无论是元胞如何,对于VDMOS而言,接触孔电阻和源极电阻在此讨论中可忽略不计。

沟道电阻:
Z为垂直于横截面的元胞长度Lch沟道长度、Wcell元胞宽度、μ ni 沟道迁移率、Cox栅氧电容、Vg栅极电压、Vth阈值电压
JFET电阻:
ρ JFET 区电阻率、x JP 为Pwell结深、 Za为垂直于横截面的元胞长度 、WG为Poly宽度、x P 扩散宽度、Wo为JFET区零偏置下耗尽区宽度;
漂移区电阻:
ρD是漂移区电阻率、Z元胞长度、t漂移区厚度、aJFET区宽度
为什么只叙述了这三个电阻呢,这是因为不同元胞设计主要就会影响这类电阻的大小。
方形元胞
方形元宝的阵列的宽度可以认为和条形元胞一直,故而元胞面积就是Wcell2,沟道宽度就是4(Wpw+2x
JN+ ),x JN+是Nplus扩散深度,故而此时沟道电阻为
所以从公式上看,同样条件下,方形元胞的沟道电阻要小一些。
方形元胞中JFET横截面积有均匀宽度a/2的情况下,JFET区周长可以近似于元胞间距的4倍,故
这个在同样条件下,也会小于条形元胞
因元胞面积不同,故而方形元胞的衬底电阻也与条形元胞不一致
这个值就会远小于条形元胞的衬底电阻了。
六角元胞六角阵列(圆形元胞)
六角元胞的六角阵列可以近似于直径为Wcell的圆形分析。元胞面积就是W cell ² π /4,在这个元胞单元内,沟道宽度就是π (Wpw+2x JN+ ),因此沟道电阻就是,
这个和方形元胞表现一致,低于条形元胞。
圆形元胞JFET区的横截面积近似认为具有均匀宽度a/2,JFET区周长近似为π倍的元胞直径,所以JFET电阻为
这个也与方形元胞相同,低于条形元胞。
衬底电阻则是
这个和方形元胞表现一致,远低于条形元胞
原子晶格布局元胞(ALL)
原子晶格布局元胞面积为Wcell²,元胞宽度则是Wcell=W G +W B ,为W G 圆形Poly岛的直径,W B 是Poly条宽度。
ALL元胞沟道宽度为π (W G -2x JN+ )所以沟道电阻为
所以,这个不仅比条形元胞低,比方形和六角元胞都略低一些。
ALL元胞JFET区域电阻为
这个值就明显大于方形元胞和六角元胞了。
至于衬底电阻,
,这个值大于条形元胞
| MOS | IGBT | |||
| 优势 | 劣势 | 优势 | 劣势 | |
| 条形元胞 | 工艺易实现,有利于大规模应用 | 导通电阻Rdson高 | RB小,抗闩锁能力强 易实现BV与Vcesat折中处理 |
Vcesat大 |
| 方形元胞 | 兼顾了导通电阻和开关速度 | 栅极存在过多拐角,Rg略高 | 沟道宽度大,电流密度高 | Rg略高 |
| 圆形元胞 | 无突变拐角,电场最均匀 | 光刻及刻蚀难度大,晶圆利用率低 | 电场分布均匀 | 工艺难度大 晶圆面积利用率低 |
| 六角元胞 | 具有最高的单元密度 导通电阻小 且电场分布均匀 |
也需要精度较高的光刻水平 | Vcesat小 | RB最大,易发生闩锁 |
| 原子晶格元胞 | 理论上具有超高耐压水平和超低的Rdson | 工艺极其不成熟难以实现 | 边角处峰值电场强度低 易提升BV,CGC低 |
结构复杂 工艺上难以实现 |

