mos器件的重要特性之15个为什么

（1）为什么EMOSFET的阈值电压随着半导体衬底掺杂浓度的提高而增大而随着温度的升高而下降【答】EMOSFET的阈值电压就是使半导体表面产生反型层（导电沟道）所需要加的栅极电压。对于N沟道EMOSFET，当栅电压使得P型半导体表面能带向下弯曲到表面势S2B时，即可认为半导体表面强反型，因为这时反型层中的少数载流子（电子）浓度就等于体内的多数载流子浓度（掺杂浓度）；这里的B是半导体FERMI势，即半导体禁带中央与FERMI能级之差。阈值电压VT包含有三个部分的电压（不考虑衬偏电压时）栅氧化层上的电压降VOX；半导体表面附近的电压降2B抵消MOS系统中各种电荷影响的电压降平带电压VF。UA3S8F0X5Z在阈值电压的表示式中，与掺杂浓度和温度有关的因素主要是半导体FERMI势B。当P型半导体衬底的掺杂浓度NA提高时，半导体FERMI能级趋向于价带顶变化，则半导体FERMI势B增大，从而就使得更加难以达到S2B的反型层产生条件，所以阈值电压增大。8当温度T升高时，半导体FERMI能级将趋向于禁带中央变化，则半导体FERMI势B减小，从而导致更加容易达到S2B的反型层产生条件，所以阈值电压降低（2）为什么EMOSFET的源漏电流在沟道夹断之后变得更大、并且是饱和的（即与源漏电压无关）E|Q2RZ9S4/6B1M4F9Y对于速度饱和所引起的电流饱和情况，一般说来，当电场很强、载流子速度饱和之后，再进一步增大源漏电压，也不会使电流增大。因此，这时的饱和电流原则上是与源漏电压无关的。2HS5E5GI63FU/D6R,LX/O,F对于短沟道MOSFET，还有一个导致电流不饱和的重要原因，即所谓DIBL（漏极感应源端势垒降低）效应。因为源区与沟道之间总是存在一个高低结所造成的势垒，当源漏电压越高，就将使得该势垒越低，则通过沟道的源漏电流越大，因此输出电流不会饱和。,QBGD“V,T3X8总之，导致短沟道MOSFET电流不饱和的因素主要有沟道长度调制效应和DIBL效应。（4）为什么EMOSFET的饱和源漏电流与饱和电压之间具有平方的关系4SC8G“_K3【答】增强型MOSFET（EMOSFET）的饱和源漏电流表示式为饱和电压VGSVT就是沟道夹断时的源漏电压。在MOSFET的转移特性（IDSATVGS）曲线上，EMOSFET的饱和源漏电流IDSAT与饱和电压VGSVT的关系即呈现为抛物线。导致出现这种平方关系的原因有二/A,KOOUGQHB8Y8X,IOM1VUX沟道宽度越大，饱和源漏电流越大，饱和电压也就越高；电流饱和就对应于沟道夹断，而夹断区即为耗尽层，其宽度与电压之间存在着平方根的关系，这就导致以上的平方结果。正因为MOSFET具有如此平方的电流电压关系，所以常称其为平方率器件。（5）为什么一般MOSFET的饱和源漏电流具有负的温度系数Y6O“YS“C【答】MOSFET的饱和源漏电流可表示为4E3S7OA7也具有负的温度系数。从而，随着温度的升高，迁移率的下降就会导致MOSFET的输出源漏电流减小，即电流具有负的温度系数。M/RW|4EXONYQ|H4|Y0VL,CI而在饱和区时，源漏电压较高，沟道夹断，即在漏极端处的沟道宽度为0，于是栅极电压控制沟道导电的能力很强（微小的栅极电压即可控制沟道的导通与截止），所以这时的跨导很大。因此，饱和区跨导大于线性区跨导。7WM在饱和电流IDSAT一定时饱和跨导GMSAT却与饱和电压VGSVT成反比NBVI3UA这是由于饱和电压越高，就意味着沟道越难以夹断，则栅极的控制能力就越小，即跨导越小。总之，在源漏电压一定时，饱和跨导与饱和电压成正比，而在源漏电流一定时，饱和跨导与饱和电压成反比。5GQ/G6BS7VV9T,Y9EW2VS这种相反的比例关系，在其他场合也存在着，例如功耗P与电阻R的关系当电流一定时，功耗与电阻成正比（PIVI2R）；当电压一定时，功耗与电阻成反比（PIVV2/R）。（8）为什么MOSFET的线性区源漏电导等于饱和区的跨导（栅极跨导）XRDAD【答】MOSFET的线性区源漏电导GDLIN和饱和区的栅极跨导GMSAT，都是表征电压对沟道导电、即对源漏电流控制能力大小的性能参数。V,UUV9ST9ZJC2M6B5_X5V在VGSVT时，出现沟道，但如果源漏电压VDS0，则不会产生电流；只有在VGSVT和VDS0时，才会产生电流，这时必然有VDSVGSVT，因此MOSFET处于沟道夹断的饱和状态，于是源漏电流随栅源电压而平方地上升。相应地，饱和跨导随栅源电压而线性地增大，这是由于饱和跨导与饱和电压VGSVT成正比的缘故。,T6IF1DVO6ZF而当栅源电压进一步增大，使得VDSVGSVT关系，于是出现了沟道、但总是被夹断的，所以器件处于饱和状态，输出源漏电流最大、并且饱和，为恒流源。由于VGSVDS，所以这种二极管的输出伏安特性将与转移特性完全一致。因为MOSFET的饱和输出电流IDSAT与饱和电压VGSVT之间有平方关系，所以该二极管在VGSVDSVT时的输出伏安特性为抛物线关系，并且这也就是其转移特性的关系。/F4LO/6_9GQV5O5X2C所谓阈值损失，例如在门电路中，是输出高电平要比电源电压低一个阈值电压大小的一种现象。由E型,栅漏短接的MOS二极管的伏安特性可以见到，当其输出源漏电流IDS降低到0时，其源漏电压VDS也相应地降低到VT。这就意味着，这种二极管的输出电压最低只能下降到VT，而不能降低到0。这种“有电压、而没有电流”的性质，对于用作为有源负载的这种集成MOS二极管而言，就必将会造成阈值损失。S（13）为什么在MOSFET中存在有BJT的作用这种作用有何危害5M7H0C7H8KJ/V1B81F【答】对于常规的MOSFET如图3（A）所示，源区、漏区和P衬底即构成了一个NPN寄生晶体管。当沟道中的电场较强时，在夹断区附近的电子即将获得很大的能量而成为热电子，然后这些热电子通过与价电子的碰撞、电离，就会形成一股流向衬底的空穴电流IB；该过衬底电流就是寄生晶体管的基极电流，在热电子效应较严重、衬底电流较大时，即可使寄生晶体管导通，从而破坏了MOSFET的性能。这种热电子效应的不良影响往往是较短沟道MOSFET的一种重要失效机理。C“WM7X1X2O对于CMOS器件在CMOS器件的芯片中，存在着NPNP的四层结构晶闸管。当其中的BJT因为热电子效应而导通时，即可发生所谓“闩锁效应”、而导致器件失效。J9MN4NQ1W0C0XW8BDQ2Z对于VDMOSFET观察图3（B）中的结构，即可见到，当器件正向导通时，其中存在一个工作于放大状态的寄生NPN晶体管（N源区是发射区，N外延层是集电区，P沟道是基区）。该寄生晶体管的可能导电通道是与MOSFET的ID相并联的，故在VDMOSFET工作时，必须要注意防止寄生晶体管导通；否则，寄生晶体管的导通就可能引起二次击穿，使得功率MOSFET完全失去功能。GM“Y6CV5VA1VWK1DDX,L为了避免VDMOSFET在正向工作时、其中寄生NPN晶体管的导通，可以设法使寄生晶体管的电流放大系数变得很小、甚至减至为0采用“阴极短路技术”，即把寄生晶体管的发射极与基极短接起来，工艺上就通过把发射区（源极区）的金属电极延伸到沟道体区的表面上来实现。因为这种阴极短路结构截断了发射极注入载流子的功能，所以能够防止寄生晶体管的导通。JABCL9K5F对于VDMOSFET，在采用了阴极短路结构之后，实际上又恰恰在器件内部形成了一个PNN二极管，这个二极管与VDMOSFET是反向并联的，这也就顺便地在VDMOSFET中设置了一个阻尼二极管（续流二极管），该二极管对于泄放反向电动势、防止主体晶体管的击穿具有重要作用。J_EY“I（14）为什么在VDMOSFET中存在有JFET的作用有何不良影响0S【答】如图4所示，源漏电流是从芯片表面向下流动的，并在电流通路的两侧是PN结，因此这种电流输运的过程，从工作原理上来看，就相当于是一个寄生JFET。从而可以把VDMOSFET等效为一个MOSFET与一个寄生JFET的串联组合，其中很大部分N漂移区就相当于是寄生JFET的沟道。,R8P_J,TI49M/QS4W|5L2AB由于JFET的输出交流电阻非常大，同时也因为较高的源漏电压而具有很大的输出直流电阻，所以就使得VDMOSFET的导通电阻大大增加，因此N漂移区的厚度和掺杂浓度对整个器件性能的影响都较大。为了消除VDMOSFET中寄生JFET的影响，以降低导通电阻，就必须在结构上加以改变，由此发展出了V形槽栅、U形槽栅和沟槽（TRENCH）栅等结构的MOSFET。（15）IGBT和MCT都是MOS栅极控制的功率场效应晶体管，为什么说它们是两种完全不同的器件【答】IGBT（绝缘栅双极型场效应晶体管）和MCT（MOS控制晶闸管）的共同点主要有都是MOS栅极控制的器件，则具有功率场效应晶体管的优点；HVM,DKZ_6_V1在结构上，其中都存在着四层、三结的晶闸管结构，因此在一定条件下会出现阳极电流闩锁效应；1D0U,Z7_“R它们都可以采用多个元胞并联的结构，因此可以获得很大的工作电流；它们都是有两种载流子参与工作的器件，因此都是双极型的场效应晶体管，导通电阻低，但开关速度也相对地要比MOSFET的低。IGBT和MCT的最大不同点就在于它们的工作状态和性质不相同，因此说它们是两种完全不同的器件W7LIGBT的工作电流主要是通过MOS沟道的电流，而其中的晶闸管电流是需要极力避免的（IGBT的最大工作电流擎住电流就是其中晶闸管不导通时的电流），因此从本质上来看，IGBT基本上是一种MOSFET，因此IGBT具有MOS器件的许多优点，例如较强的栅极的控制能力和较低的驱动功率（因为有很大的输入电阻和较小的输入电容之故）。T/APV7T而MCT与IGBT的恰恰相反，它的工作电流主要是晶闸管电流，至于MOS沟道的电流，则主要是起着触发晶闸管导通或者关断的作用，不是MCT的主要工作电流，因此从本质上来看，MCT基本上是一种晶闸管双极型器件，从而MCT具有导通电阻很低、耐压很高、功率容量很大的优点。N5SIGBT虽然在本质上是一种MOS器件，但又不同于一般的MOSFET，因为IGBT在导通工作时，有少数载流子注入到高阻的耐压层（漂移区），可以产生电导调制，则它的导通电阻较小，增大了器件的电流容量（电流密度要比VDMOSFET的高23倍）；同时由于高阻耐压层的引入