平面MOS与沟槽MOS：功率半导体技术的演进与抉择

在功率电子领域，MOSFET作为电能转换与控制的核心开关，其结构设计直接决定了性能表现。其中，平面MOS与沟槽MOS是最主流的两种技术架构。理解它们的差异，对于电子工程师选择合适的器件至关重要。本文将深入剖析这两种技术的原理、优劣与适用场景。

一、技术原理：截然不同的结构哲学

1. 平面MOS - 经典的水平架构
平面MOS采用传统的横向结构。其电流通道（沟道）在硅片表面水平形成，然后垂直流向漏极。可以想象成一条需要先“绕行”再“下沉”的路径。这种结构成熟稳定，自MOSFET诞生之初便已存在，是功率MOS的奠基技术。

2. 沟槽MOS - 创新的垂直架构
沟槽MOS则是一种突破性设计。它通过在硅片上蚀刻出垂直的沟槽，并在沟槽内壁生长栅氧和多晶硅栅极。这样，电流通道是垂直形成的，实现了更短的电流路径和更高的元胞密度。这好比在城市中修建地下立交桥，避免了平面交通的绕行，通行效率大幅提升。

二、性能对决：核心参数全面对比

1. 导通电阻 - 沟槽MOS胜出
这是两者最显著的差异。沟槽MOS凭借其垂直导电结构和更高的元胞密度，在相同硅片面积下，导通电阻远低于平面MOS。这意味着在开关导通时的能量损耗更小，效率更高，尤其适用于低电压、大电流的应用。

2. 开关速度 - 各有千秋

• 沟槽MOS：栅极电荷通常较高，因为垂直栅极面积更大。这可能导致开关速度稍慢，开关损耗增加。

• 平面MOS：栅极电荷较低，开关速度更快，在硬开关电路中能有效降低开关损耗。

3. 耐压能力 - 平面MOS更优
在高压应用领域（通常高于500V），平面结构因其电场分布更易控制而展现出优势。沟槽结构在高压下，沟槽底部的电场集中效应会成为技术挑战，限制了其在超高压领域的应用。

4. 成本与工艺 - 平面MOS更经济
平面MOS制造工艺相对简单、成熟，成本较低。沟槽MOS的刻蚀工艺复杂，对设备和工艺控制要求更高，成本也相对较高。

三、应用场景：如何正确选型？

根据各自的性能特点，两者的应用领域划分明确：

选择沟槽MOS的场景：

• 低压大电流应用：如电脑主板、显卡的CPU/GPU供电（VRM）

• 同步整流：在DC-DC转换器的次级侧，低导通电阻是关键

• 汽车启动系统：需要处理数百安培的瞬间电流

选择平面MOS的场景：

• 高压应用：如PFC电路、工业电机驱动、光伏逆变器（>600V）

• 对开关速度要求高的电路：某些高频开关电源

• 成本敏感型应用：消费类电子产品的电源适配器

四、行业演进与未来趋势

功率半导体行业一直在追求更低的导通电阻和更高的开关频率。沟槽技术本身也在不断进化：

1. 超结沟槽技术：结合了超结的电荷平衡原理与沟槽结构，进一步优化了中高压领域的性能。

2. 屏蔽栅沟槽技术：在沟槽内引入第二个栅极，有效抑制栅漏电容，大幅降低开关损耗和栅极电荷。

3. 深沟槽技术：通过更深的沟槽来优化高压下的电场分布，逐步拓展沟槽MOS的耐压范围。

目前，在低压领域（<200V），沟槽MOS已成为绝对主流。而在中高压领域，平面MOS和超结MOS仍占据重要地位。国际厂商如英飞凌、东芝等在沟槽技术方面领先，而国内厂商如华润微、士兰微等正加速技术追赶和国产化进程。