该文主要论述两点,
1、MOSFET相比BJT的优势,2、横向MOSFET为何不适合功率应用,
前者主要包括驱动功耗极低、控制逻辑兼容、自动均流特性、开关速度更高以及安全工作区更宽,
尤为重要的一点,MOSFET是电压驱动,BJT是电流驱动,这是核心差异。
后者主要包括穿通击穿、回滞效应、场板诱导局部雪崩以及难以实现高栅宽
1970年代的主流MOSFET为横向器件,G/D/S均在半导体表面,以上四点导致横向MOSFET不适合功率应用。
今天继续这个话题,
既然横向MOSFET不适合功率应用,很自然的思路是——能否将其改为纵向器件?
同理,既然BJT的电流驱动特点,使其产生诸多问题,能否设法采用电压驱动设计?
于是前人开始组合,
驱动信号输入端采用MOS结构,以确保电压驱动,
电流流动路径采用纵向器件结构,以确保大功率应用,
如果鼓捣出一种新器件,输入端采用MOS结构,电流路径采用纵向结构,岂不是两全其美?
V型槽功率双扩散MOSFET(V-groovepowerverticalDMOSFET,常称为VMOS或VDMOS)就此诞生。
顺便提一句,如今有时也会将VerticalDMOSFET(垂直双扩散MOSFET)称为VDMOS,二者共享一个简称,容易混淆。
下文将V型槽功率MOSFET称为VMOS,

如上,VMOS结构,其实与现在常见的沟槽MOSFET没有本质区别,只不过沟槽形状为V型,
VerticalDMOSFET中的DMOSFET,全称Double-diffusedMOSFET,采用双扩散工艺,
最近数十年,DMOS被广泛用于描述所有采用采用连续扩散或非均匀沟道浓度的绝缘栅场效应器件(无论横向纵向),来历却渐渐不为人知,
SiVDMOS中采用的双扩散工艺,始自VMOS,而VMOS的双扩散工艺,又源自BJT的制造工艺,
在BJT制造中,通过两次扩散工艺,制造基区和发射区,以精确控制电流放大倍数β,
而在VMOS制造中,通过两次扩散工艺,制造较深的P阱区、较浅的N+源区,
P阱区和N+源区的深度差决定了沟道长度,进而决定了阈值电压。
换言之,VMOS的沟道长度并不取决于光刻技术,而是由两次扩散工艺决定,
如此可以解决当时光刻机精度不足,沟道长度难以做到亚微米级的问题,
VMOS的创新之处在于——将双扩散原理应用于MOS器件,成为最早制造的亚微米沟道MOSFET之一,
简言之,对功率应用而言,横向MOS的缺点是结构+工艺,前者是横向电流流动路径,后者是光刻精度不足以形成太短的沟道,
而BJT的缺点主要源自控制方式,电流驱动会带来显著的驱动损耗,且与数字逻辑电路不兼容,
而VMOS采用BJT的纵向结构和双扩散工艺,又融合MOSFET的电压驱动原理,兼具二者之长,
双扩散工艺后,形成N+区-P阱-N漂移区构成的NPN结构,这是功率MOSFET中固有的寄生BJT,
再通过化学刻蚀形成V型槽,V型槽必须贯穿P阱和N+区,再于槽中形成栅氧和栅电极材料,
由此,BJT的基区,在VMOS中,转变为由MOS栅控制的“沟道”,从电流驱动,转变为电压驱动。
另外要注意的是,在高电压、大电流工况下,VMOS中的寄生BJT可能导通,导致热失控,
为避免此现象,在每个元胞中,通过源极金属使P阱和N+区短接,相当于让寄生BJT结构的基极和发射极短接,
如此设置的目的,是将P阱的电位钳位在源极(发射极)电位(一般是地电位),防止寄生BJT发射结正偏导致BJT开启。
开发VMOS的最初目的,本是实现数字集成电路中的逻辑功能。
通过施加较大的驱动电压,VMOS可作为功率开关器件工作,
若驱动电压仅略高于阈值电压,VMOS也可作为电流源、模拟多路复用器或放大器使用。
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