1.5.3 功率MOSFET
功率MOSFET是在低電壓方面應用最好的選擇，它具有輸入阻抗高、通態電阻小、開關速度快等優點。迄今為止，大部分商用功率MOSFET的結構為DMOS結構，如圖1.12所示。為了消除DMOS結構中的JFET電阻，產生了如圖1.12所示的UMOSFET。由于JFET導通電阻的存在，DMOSFET的特征導通電阻（specific on-resistance）很難做到小于2mΩ·cm2，相比之下能承擔60V的UMOSFET的導通電阻能做到1mΩ·cm2，承擔30V的器件的導通電阻可以做到0.25mΩ·cm2，而且有文獻表明，如果將溝槽延伸到N+區，可以獲得0.15mΩ·cm2的特征通態電阻，但這種結構的器件只能做到25V，由于柵氧化層必須承擔最大漏極電壓。
圖1.12 低壓硅功率MOSFET結構的發展
如果將漂移區的濃度梯度線性增加，如圖1.13所示，特征通態電阻進一步降低。
在功率MOS器件設計中，擊穿電壓（BV）與特征通態電阻（Ron）的關系非常密切，其基本關系式為Ron=5.93×10-9（BV）2.5。為了解決這對矛盾，一種基于電子科技大學陳星弼院士在美發明專利的新結構功率MOSFET，打破了傳統功率MOS器件理論極限，被國際上盛譽為“功率MOS器件領域里程碑”的新型功率MOS器件——CoolMOS于1998年問世并很快走向市場。CoolMOS由于采用新耐壓層（陳院士稱為復合緩沖層，Composite Buffer Layer）結構（國際上又稱為Super Junction結構或Multi-RESURF結構或3D RESURF結構等），在幾乎保持功率MOS器件所有優點的同時，又有著極低的導通損耗（Ron=2.6×10-7b×BV1.23，b為N/P柱區的寬度比）。目前國際上已有包括Infineon、IR、Toshiba等多家公司采用該技術生產低功耗功率MOS器件。圖1.14為Super Junction結構的CoolMOS器件結構示意圖。從圖中可以清晰地看出，CoolMOS器件采用交替的P、N結構代替傳統功率MOS器件中低摻雜漂移層作電壓支持層。在CoolMOS器件導通過程中，只有其多數載流子（圖中N溝道器件為電子）參與導電，因此其開關特性與傳統功率MOS器件相似。當器件承擔電壓時，復合緩沖層將產生一個橫向電場，使PN結耗盡。當電壓達到一定值時，復合緩沖層完全耗盡，將起到電壓支持層的作用。由于復合緩沖層中P柱和N柱的摻雜濃度可遠高于通常的耐壓區，從而使其正向導通時的導通電阻大大降低，進而改善導通電阻與器件耐壓之間的矛盾。
圖1.13 梯度摻雜溝道門極MOSFET結構及摻雜剖面圖
圖1.14 CoolMOSFET結構