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功率器件的元胞布局介绍

2025-05-22 09:18:07


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MOSIGBT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:

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 Pwell结深、 Za为垂直于横截面的元胞长度 、WGPoly宽度、x P 扩散宽度、WoJFET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+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/2JFET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 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

作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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功率器件的元胞布局介绍
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。
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