MOS器件物理基礎(chǔ)本篇文章主要通過對橫向增強(qiáng)型NMOS的原理講解來熟悉NMOS的導(dǎo)通狀態(tài)。通過NMOS的學(xué)習(xí)，了解各種MOS（如JFET，VMOSFET，UMOSFET，DMOSFET）的工作原理。對MOS管的各種工作參數(shù)做了一個簡單的講解。MOSFETMOSFET是英文MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor的縮寫，即:金屬―氧化物―半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。MOSFET有耗盡型與增強(qiáng)型兩種，每一種又分為n/p溝道兩種。耗盡型在正常情況下溝道是開啟的，增強(qiáng)型的溝道通常是關(guān)閉的，只有當(dāng)柵極電壓增加時，漏―源之間的溝道才能打開，漏―源電流也就隨之增加。當(dāng)不加?xùn)艠O電壓時，也就沒有電流通過MOSFET的結(jié)構(gòu)Ldrawn：溝道總長度LD：橫向擴(kuò)散長度Leff：溝道有效長度，Leff＝Ldrawn－2LD以一橫向NMOS為例nmos符號MOS管正常工作的基本條件MOS管正常工作的基本條件是:所有襯源（B、S）、襯漏（B、D）pn結(jié)必須反偏！寄生二極管NMOS器件的閾值電壓VTH(a)柵壓控制的MOSFET(b)耗盡區(qū)的形成(c)反型的開始(d)反型層的形成NMOS管導(dǎo)通過程示意圖記過驅(qū)動電壓Von＝VGS－VT。Von是一個重要的設(shè)計參數(shù)。MOS管正常工作原理

柵源電壓uGS的控制作用

當(dāng)uGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

當(dāng)UGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。再增加UGS→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。問題：為什么加入電壓VGS時，源漏之間二極管沒有導(dǎo)通電流流過？？NMOS管VGS>VT、0<VDS<VGS-VT時的示意圖溝道未夾斷條件問題：1.反型層為什么會出現(xiàn)斜坡？？2.溝道被夾斷時，漏源極之間還會導(dǎo)電嗎？？NMOS溝道電勢示意圖(0<VDS<VGS-VT)邊界條件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS0Qd：溝道電荷密度Cox：單位面積柵電容溝道單位長度電荷(C/m)WCox：MOSFET單位長度的總電容Qd(x)：沿溝道點x處的電荷密度V(x)：溝道x點處的電勢I/V特性的推導(dǎo)（1）電荷移動速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDSI/V特性的推導(dǎo)（2）對于半導(dǎo)體：且I/V特性的推導(dǎo)（3）三極管區(qū)(線性區(qū))每條曲線在VDS＝VGS－VTH＝Von時取最大值，且大小為：VDS＝VGS－VTH＝Von時溝道剛好被夾斷NMOS管的電流公式截至區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs>VTHVDS<Vgs-VTH飽和區(qū),Vgs>VTHVDS>Vgs-VTH三極管區(qū)的MOSFET（0<VDS<VGS－VT）等效為一個壓控電阻MOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>VGS-VT溝道電阻隨VDS增加而增加導(dǎo)致曲線彎曲曲線開始斜率正比于VGS-VTVDS<VGS-VT用作恒流源條件：工作在飽和區(qū)且VGS＝常數(shù)縱向溝道MOS管結(jié)構(gòu)上面一節(jié)，我們了解了橫向溝道結(jié)構(gòu)的mos管，與其原理上一樣的，發(fā)展起來了縱向結(jié)構(gòu)mos管，接下來我們將為你介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。與漏極，柵極和源極引出端在硅片的同一表面上的橫向結(jié)構(gòu)相比，縱向溝道MOS管的漏極與源極制作在硅片相對的兩面上。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計適合于功率器件，因為源極能夠利用更大的空間。由于源―漏之間長度減小，解決了漏―源電流增加的難題;同時采用了外延層(漏極漂移區(qū))溝槽也極大地提高了阻斷電壓。縱向結(jié)構(gòu)mos經(jīng)過這些年的發(fā)展，主要產(chǎn)生了VMOSFET，DMOSFET，UMOSDET等結(jié)構(gòu)。VMOSFET結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。柵極采用V型溝槽設(shè)計是第一種可以用于商業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品。由于制造工藝的難度和V形槽“尖端”電場過于集中的問題，VMOSFET很快被DMOSFET替代。DMOSFET結(jié)構(gòu)如圖(b)所示。這種結(jié)構(gòu)是用“雙擴(kuò)散"的方法來形成P型基區(qū)和N+型源區(qū)。這種方法使得產(chǎn)品在大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)中獲得成功。UMOSFET結(jié)構(gòu)如圖(c)所示。名稱來自柵區(qū)是制作在U形槽上，與VMOSFET和DMOSFET相比，UMOSFET的溝道密度更大，因此，導(dǎo)通電阻也更小。用于UMOSFET溝槽蝕刻工藝技術(shù)在上世紀(jì)九十年代得到成功運(yùn)用?？v向溝道MOS管結(jié)構(gòu)（a）(a)VMOSFET結(jié)構(gòu)(c)UMOSFET結(jié)構(gòu)(b)DMOSFET結(jié)構(gòu)MOSFET產(chǎn)品介紹1.漏–源導(dǎo)通電（RDS(on)）圖1:MOSFET內(nèi)部電阻的剖面結(jié)構(gòu)圖RDS(on)是MOSFET在導(dǎo)通時，源–漏極之間的總電阻，這是一個決定最大電流和損耗的重要參數(shù)。為了減小RDS(on)，可以從下面公式考慮：RDS(on)=RN+RCH+RA+Rj+RD+RS其中：OnCharacteristics（a）RN+:N+源區(qū)的電阻，這個電阻只占RDS(on)的很小一部分。RCH:溝道區(qū)電阻，在低壓MOSFET的這個電阻在RDS(on)起決定作用。這個電阻由溝道長寬比（W/L）,柵氧化層厚度，柵極電壓決定。RA:當(dāng)柵極加電壓時，N–區(qū)外延層表面（Cgd電容的下面）會產(chǎn)生電荷的積累，溝道與JFET之間形成一個電流通道。這層積累區(qū)的電阻就是RA。積累層的電荷與表面載流子的遷移率都會影響RA。柵壓的降低會影響到積累的長度，因此，RA的降低同時伴隨著RJ的增加。RJ:兩個P區(qū)之間的N-外延層被稱為JFET區(qū)，P區(qū)相當(dāng)于JFET的柵極。因此，這個電阻被稱為RJ。RD:P區(qū)的下面與襯底的頂部之間的電阻稱為RD。在高壓MOSFET中，RD在RDS(on)中占的比例最大。RS：這個是襯底區(qū)的電阻。在高壓MOSFET中完全可以忽略，但是在電壓低于50V的低壓MOSFET，RS的影響是較大的。其它的附加電阻包括：源極-漏極非正常的金屬化接觸，器件封裝時，N+半導(dǎo)體區(qū)（襯底）與外引線連接。RDS(on)隨溫度的變化（正溫度系數(shù)）這是因為電子和空穴的遷移率會隨溫度的上升而下降。導(dǎo)通電阻對器件穩(wěn)定工作和電流來講是一個重要特點。隨溫度的上升而增加這一點在器件應(yīng)用的線路設(shè)計必須充分考慮。OnCharacteristics

2.閥值電壓（VGS（th））

閥值電壓是值在漏–源極之間可以形成溝道的最小柵極電壓。在飽和區(qū)中，漏極電流是以（VGS-VGS(th)）2的比例增加的。VGS（th）是由柵氧化層厚度控制的。正常情況下，較厚的柵氧化層可以使高壓MOSFETVGS(th)達(dá)到2～4V;而薄柵氧化層可以使低壓MOSFET（多用于邏輯電路）控制在1～2V。同時，VGS(th)還受到摻雜的影響（MOSFET溝道P區(qū)的摻雜濃度），即：VGS（th）與P區(qū)摻雜濃度的平方根成比例。VGS（th）會隨溫度增加而下降。下降的比例受柵氧化層厚度與P區(qū)摻雜濃度的影響。一般來說，柵氧化層增厚和P區(qū)雜質(zhì)濃度增加會下降的比例增大。跨導(dǎo)（gfs）由于mosfet工作在飽和區(qū)時，電流受柵源過驅(qū)動電壓的控制，所以我們定義一個性能系數(shù)來表示電壓轉(zhuǎn)換電流的能力，跨導(dǎo)（gfs）

gfs=

gm代表器件的靈敏度：對于一個大的gm來講，VGS的一個微小的改變會引起ID產(chǎn)生很大的變化。

VDS選擇在器件的飽和區(qū)。所加的VGS應(yīng)該是可達(dá)到最大漏極電流的1/2處。影響gfs的兩個因數(shù)是：溝道的長/寬比和柵氧化層厚度。如圖15所示，加VG（th）之后,gfs會隨著漏極電流增加而迅速增加，當(dāng)漏極電流達(dá)到某一點之后出現(xiàn)ID較大處，這種變化就趨于一個常數(shù)。如果gfs很大，就說明在低柵壓時，器件的大電流處理能力很強(qiáng)。圖2：轉(zhuǎn)移特性曲線與gfs由于溫度的增加會使載流子遷移率下降，從而導(dǎo)致gfs的下降。這一點類似于溫度與RDS(on)的關(guān)系。OffCharacteristics1.漏–源擊穿電壓（BVDSS）BVDSS是（柵–源短路）MOSFET能夠承受的雪崩擊穿時的最大漏–源電壓。測試條件是VGS=0V,ID=250uA。BVDSS是有漂移區(qū)（N-外延層）長度決定的。驅(qū)使器件進(jìn)入擊穿狀態(tài)的五個因素：雪崩、穿越、穿通、齊納、介質(zhì)。

Pn結(jié)溫升高時，電壓會線性增加。即：結(jié)溫升到100℃時，BVDSS會增加到25℃的10%。（參見規(guī)格書)2.漏–源泄漏電流(IDSS)這個參數(shù)的測試條件（柵–源短路）有兩種：①.在最大工作電壓下測量；(見規(guī)格書如2N60，VDS=600V，VGS=0V）②.TC=125℃，80%的最高電壓下測量；IDSS也是正溫度系數(shù)，而且比BVDSS對溫度更敏感。3.柵-源電壓（VGS）這是指柵-源最高工作電壓。柵-源反向偏置時，負(fù)電壓能夠更快的實現(xiàn)關(guān)斷。4.柵-源泄漏電流—正向與方向（±IGSS）

在最高的柵-源電壓下測試柵-源之間的漏電流。VGS極性改變可以測量正向或者方向的泄漏電流。IGSS的大小取決于柵氧化層的質(zhì)量與芯片尺寸。(見規(guī)格書如2N60，VGS=30V，VDS=0V）DynamicCharacteristicsMOSFET電容特性源極(金屬?鋁)柵極(多晶硅)CDSNPCDSCDECCHCCHCPPCFF漏極(金屬)圖3DynamicCharacteristicsMOSFET包含的各種“寄生”電容如圖3所示功率MOSFET器件的開關(guān)時間主要由內(nèi)部電容的充/放過程決定。圖3所示的“寄生”(雜散)電容可以歸結(jié)為三種極間電容：

1.柵極-源極電容CGSCGS由兩部分組成：(1)溝道區(qū)域的柵極氧化場電容CCH;(2)柵極電極與源極電極平行結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的CPP；這兩個電容中：CCH>>CPP;

2.柵極-漏極電容CGD

由兩部分串聯(lián)構(gòu)成：(1)氧化場靜電電荷電容CFF;(2)MOS界面耗散電容CDE;這兩個電容與VDS關(guān)系密切，當(dāng)VDS較小時，CFF>>CDE當(dāng)VDS較大時，CFF<<CDECGD又稱為“密勒”電容，或“反向傳輸電容”；

DynamicCharacteristics3.漏極-源極電容CDSCDS本質(zhì)上是PN結(jié)耗盡層電容；因此，對電壓(VDS)依賴很大，即VDS低時，CDS很大；隨著VDS增高而減小。4.在MOSFET的《規(guī)格書》常常給出以下電容值：

(1)輸入電容CISS

=CGS+CGD

(2)輸出電容COSS=CDS+CGD

(3)反向傳輸電容CRSS=CGD

以上電容值的典型規(guī)范值為(以2N60為例)CISS=270pFCOSS=40pFCRSS=5pF圖4：寄生電容的等效電路SwitchingCharacteristicsPowerMOSFET有良好的開關(guān)特性，這是因為沒有少數(shù)載流子存貯造成的延遲，以及開關(guān)特性不受溫度變化的影響。下圖按照開關(guān)順序來劃分的波形圖，說明開關(guān)時間的定義圖5：開關(guān)波形1.開關(guān)特性（td（on）、tr、td（off）、tf）SwitchingCharacteristicstd（on）(導(dǎo)通延遲)：這段時間是用于柵極電壓開始上升并達(dá)到閥值電壓VGS（th）的時間。輸入電容在這時要充電，即：電容通過充電達(dá)到閥值電壓。Tr(上升時間)：這段時間是VGS達(dá)到VGS（th）后到器件完全導(dǎo)通的時間。這段時間分為兩部分：首先是漏極電流從零開始（柵極電壓的增加與轉(zhuǎn)移特性一致）到達(dá)負(fù)載電流。其次，漏極電壓開始下降到導(dǎo)通壓降。如柵極電荷特性曲線所示，由于柵極電壓VGS保持不變（VGS（th）,漏極電流也是恒定的。在上升時間（tr）內(nèi)，同時存在高電壓和大電流，因此，器件的功耗會很大。減小柵極串聯(lián)電阻和柵-漏電容（Cgd）也會縮短上升時間。在這之后，無論柵極電壓是否增加，漏極電壓和電流維持恒定，不會對上升時間造成影響。Td(off)（關(guān)斷延遲）：在關(guān)斷開始的瞬間，柵極電壓仍維持著導(dǎo)通狀態(tài)但開始減少。在一段時間內(nèi)，漏極電壓和電流沒有變化。Tf(下降時間)：tf是指在td(off)之后，柵極電壓達(dá)到閥值電壓的這段時間。這段時間劃分為：漏極電壓的導(dǎo)通電壓到達(dá)電源電壓，漏極電流從負(fù)載電源變?yōu)榱?。與tr一樣，關(guān)斷過程的tf也會發(fā)生功率損耗。因此，tf越短越好。在這之后，柵極電壓繼續(xù)減小直至零，但漏極電壓和電流維持穩(wěn)態(tài)不會對下降時間產(chǎn)生影響。SwitchingCharacteristics柵極電荷特性是指MOSFET在導(dǎo)通或者關(guān)斷過程中電荷量的變化。規(guī)格書中常提及以下三種電荷量：總柵電荷…Qg(t0-t4過程電荷量)柵–源電荷………………..Qgs(t0-t2過程電荷量)柵–漏(密勒)電荷……………..Qgd(t2-t3過程電荷量)圖6顯示了在導(dǎo)通過程中，柵―源電壓，柵―源電流，漏–源電壓，漏–源電流的變化?！岸O管箝位感性負(fù)載”等效電路分成四個時間段。圖6：導(dǎo)通過程時,VGS(t),iG(t),VDS(t),iD(t)的曲線AbsoluteMaximumRatings單脈沖雪崩能量（EAS）:單次雪崩狀態(tài)下器件能夠消耗的最大能量。功率MOSFET雪崩擊穿理論分析圖7為MOSFET的體內(nèi)等效電路，其中含有一個寄生的雙極性晶體管V2，它的集電極、發(fā)射極同時也是MOSFET的漏極和源極。當(dāng)MOSFET漏極存在大電流Id，高電壓Vd時，器件內(nèi)電離作用加劇，出現(xiàn)大量的空穴電流，經(jīng)Rb流入源極，導(dǎo)致寄生三極管基極電勢Vb升高，出現(xiàn)所謂的“快回(Snap-back)”現(xiàn)象，即在Vb升高到一定程度時，寄生三極管V2導(dǎo)通，集電極（即漏極）電壓快速返回達(dá)到晶體管基極開路時的擊穿電壓（增益很高的晶體管中該值相對較低），從而發(fā)生雪崩擊穿，如圖2所示。圖7體內(nèi)等效電路圖8

外部分析電路圖9

雪崩擊穿時I－V曲線AbsoluteMaximumRatings功率MOSFET的關(guān)斷（在感性負(fù)載線路中）導(dǎo)通狀態(tài)時（對n溝道器件，所加的正電壓超過閥值電壓），電子會沿著半導(dǎo)體表面的反型層（溝道）從源極朝漏極流動，這就形成了從漏極到源極的電流。如果是電感作為負(fù)載，這個電流將線性增加。MOSFET關(guān)斷，柵極電壓必須去掉或者加負(fù)電壓，使表面反型層消失。一旦反型層電荷開始消失，溝道電流（漏極電流）開始減少，為了維持漏極電流，電感負(fù)載就要增加漏極電壓。當(dāng)漏極電壓增加時，漏極電流分為溝道電流和位移電流兩部分。位移電流是體內(nèi)二極管（drain–boydiode）的耗盡區(qū)擴(kuò)展產(chǎn)生的電流，而且與dVDS/dt（漏極電壓的上升速率）成正比。dVDS/dt受到柵極快速放電和漏區(qū)耗盡層快速充電的限制。特別是漏區(qū)耗盡層的充電取決于Cds與漏極電流的增幅。當(dāng)漏極電壓增加時，不能通過外部電路進(jìn)行箝位，（UIS）體內(nèi)二極管通過雪崩倍增開始建立電流，器件進(jìn)入維持模式。當(dāng)器件進(jìn)入“維持模式”時，全部漏極電流（雪崩電流）都要通過體內(nèi)二極管并受到電感負(fù)載（此時溝道電流等于零）的控制。如果這個電流（泄漏電流，位移電流，dVDS/dt電流，雪崩電流）流入體內(nèi)二極管（在這下面