功率半导体器件 LDMOS VDMOS

关于功率MOSFET（VDMOS & LDMOS）的报告

---时间日期：2009.11.12

---报告完成人：祝靖1．报告概况与思路

报告目的：让研一新同学从广度认识功率器件、了解功率器件的工作原理，起到一个启蒙的作用，重点在“面”，更深层次的知识需要自己完善充实。

报告内容：1）从耐压结构入手，说明耐压原理；

2）从普通MOS结构到功率MOS结构的发展；（功率MOS其实就是普通MOS结构和耐

压结构的结合）；

3）纵向功率MOS（VDMOS）的工作原理；

4）横向功率MOS（LDMOS）的工作原理；

5）功率MOSFET中的其它关键内容；（LDMOS和VDMOS共有的，如输出特性曲线）报告方式：口头兼顾板书，点到即止，如遇到问题、疑惑之处或感兴趣的地方，可以随时打断提问。

2．耐压结构（硅半导体材料）

目前在我们的研究学习中涉及到的常见耐压结构主要有两种：①反向PN结②超结结构(包括)；

2.1 反向PN结（以突变结为例）

图2.1所示的是普通PN结的耐压原理示意图，当这个PN结工作在一定的反向电压下，在PN结内部就会产生耗尽层，P区一侧失去空穴会剩下固定不动的负电中心，N区一侧会失去电子留下固定不动的正电中心，并且正电中心所带的总电量＝负电中心所带的总电量，如图2.1a所示，A区就是所谓耗尽区。

图2.1b所示的是耗尽区中的电场分布情况（需熟悉了解），耗尽区以外的电场强度为零，Em称为峰值电场长度（它的位置在PN，阴影部分的面积就是此时所加在PN

P区和N区共同耐压。图2.2所示的是P+N结的情况，耐压原理和图1中的相同，但是在这种情况中我们常说N负区是耐压区域(常说的漂移区)

(a)

(b)

图2.1 普通PN结耐压示意图（N浓度＝P浓度）图2.2 P＋N结耐压示意图（N浓度<

图2.3所示的是反向电压变化情况下的耗尽层内部的电场强度的变化情况，随着N一侧的电压的上升，耗尽层在展宽（对于P+N-结来说，耗尽层展宽的区域为N区一侧，也就是耐压区一侧），峰值电场强度Em的值也在不断升高，但是当Em=Ec时，PN结发生击穿，Ec称为临界电场强度，此时加在PN结两端的电压大小就是击穿电压（BV（如表2.1所示），同种材料不同浓度的临界电场也不同，但是对于硅材料来说，在我们目前关系的浓度范围之内，浓度变化对电场强度的影响不大，因

图 2.3 电场强度和电压的关系示意图 Table2.1 不同材料的临界电场

2.2 超结结构（SuperJunction ）（了解）

除了上述所说的P+N-结结构之外，还有一种我们会接触到的耐压结构——超结结构。图2.4所示的就是超结结构。

结构特点：将P+N-结中的N-区域换成了P/N 交替排列的形式。

简单工作原理：当结两端加电压（N 侧加正电压）后，首先耗尽的是P/N 交替排列的结构部分（原因：这部分浓度较低），它内部的电场的分布情况如图2.5所示，解释方法可以从高斯原理解释（口头说明）。这种情况下我们称耐压部分为超结部分。

图2.4 超结结构示意图 图2.5 超结电场强度分布示意图

考虑半导体中“曲率”的影响

以上我们考虑的都是平面结的情况，而实际中的平面结是不存在的，图2.6所示的结构就是一种考虑了“曲率”影响下的结的耐压情况，红色线条表示的是电场线的方向（注：耗尽层和耗尽层中的固定电荷未画出，N 区一侧是正电中心，P 区一侧是负电中心），而电场强度就是电场线的密度，从图中可以看出在“曲率”大位置处的电场强度最大，最容易发生击穿的位置也在此处，是我们设计中所要考虑的重点之一。解决上述现象有很多终端结构，我们常见的一种就是场板结构，如图2.7，它的工作原理：当N 端加正电压，在场板上会感应出负电荷，那么在曲率密集处的电场线就会一部分终止与场板，从而缓解“曲率”大位置处的电场压力。（其中的场板的结构也有很多种，同学们可以自己了解）

图2.6 曲率对电场线分布的影响 图2.7 加有场板结构的示意图

3．普通MOS 结构到功率MOS 结构的发展

早在1968年，有人提出用MOS 结构做高频功率放大1，该MOSFET 的结构如图3.1a 所示（其实就是一个

普通MOS 结构加了一个耐压结构），由于P 型衬底也接低电位，故常将衬底接触电极和源

随后，Vertical device

的是高压分立器件。如图3.1b 所示。（这个图是本人猜想图）

1974年，VVMOS

（Vertical V-groove MOS ）诞生，如图3.1c 所示，此结构缺点：1）靠腐蚀形成V-Groove ，

不易工艺控制；2）V 形槽底部为尖峰，曲率大，电场较大，容易击穿，可靠性差等。

紧接着，VUMOS （Vertical U-groove MOS ）诞生，如图3.1d 所示，此结构解决了VVMOS 的一些弊端，

但是这种器件的栅极的生成仍然是靠腐蚀，U 形槽易于受离子玷污造成阈值电压不稳定；

进入80年代，VDMOS （Vertical 2）得到大发展，结构如图3.1e 所示。 最初的LDMOS ，如图3.1f 就是最初的LDMOS MOS ）。优点：易于集成，和CMOS

工艺兼容，缺点：要获得较高的击穿电压，漂移区要很长，占用很大的芯片面积。

加入了RESURF 结构，图3.1g 就是加入了RESUFR 结构的LDMOS ，可以参考前面所述的超结结构，其

实超结结构也可以称为多RESURF 结构，关于RESURF 的内容在LDMOS 部分详细说明。

( f )

( g )

LDMOS

图3.1 功率MOS （LDMOS&VDMOS ）的发展示意图

1 见陈星弼 “功率MOSFET 与高压集成电路”，不知是不是第一个功率MOSFET 。

2

就是用同一块掩膜版扩散两次，扩散杂质不同，两次扩散的横向扩散长度的差就构成了器件的沟道。