MOS器件物理基础

MOS器件物理基础本篇文章主要通过对横向增强型NMOS的原理讲解来熟悉NMOS的导通状态。通过NMOS的学习，了解各种MOS（如JFET，VMOSFET，UMOSFET，DMOSFET）的工作原理。对MOS管的各种工作参数做了一个简单的讲解。MOSFETMOSFET是英文MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor的缩写，即:金属―氧化物―半导体场效应晶体管。MOSFET有耗尽型与增强型两种，每一种又分为n/p沟道两种。耗尽型在正常情况下沟道是开启的，增强型的沟道通常是关闭的，只有当栅极电压增加时，漏―源之间的沟道才能打开，漏―源电流也就随之增加。当不加栅极电压时，也就没有电流通过MOSFET的结构Ldrawn：沟道总长度LD：横向扩散长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LD以一横向NMOS为例nmos符号MOS管正常工作的基本条件MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源（B、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏！寄生二极管NMOS器件的阈值电压VTH(a)栅压控制的MOSFET(b)耗尽区的形成(c)反型的开始(d)反型层的形成NMOS管导通过程示意图记过驱动电压Von＝VGS－VT。Von是一个重要的设计参数。MOS管正常工作原理

栅源电压uGS的控制作用

当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。

当UGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。再增加UGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。

N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。

uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。问题：为什么加入电压VGS时，源漏之间二极管没有导通电流流过？？NMOS管VGS>VT、0<VDS<VGS-VT时的示意图沟道未夹断条件问题：1.反型层为什么会出现斜坡？？2.沟道被夹断时，漏源极之间还会导电吗？？NMOS沟道电势示意图(0<VDS<VGS-VT)边界条件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS0Qd：沟道电荷密度Cox：单位面积栅电容沟道单位长度电荷(C/m)WCox：MOSFET单位长度的总电容Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度V(x)：沟道x点处的电势I/V特性的推导（1）电荷移动速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDSI/V特性的推导（2）对于半导体：且I/V特性的推导（3）三极管区(线性区)每条曲线在VDS＝VGS－VTH＝Von时取最大值，且大小为：VDS＝VGS－VTH＝Von时沟道刚好被夹断NMOS管的电流公式截至区，Vgs<VTH线性区,Vgs>VTHVDS<Vgs-VTH饱和区,Vgs>VTHVDS>Vgs-VTH三极管区的MOSFET（0<VDS<VGS－VT）等效为一个压控电阻MOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>VGS-VT沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲曲线开始斜率正比于VGS-VTVDS<VGS-VT用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS＝常数纵向沟道MOS管结构上面一节，我们了解了横向沟道结构的mos管，与其原理上一样的，发展起来了纵向结构mos管，接下来我们将为你介绍其结构和工作原理。与漏极，栅极和源极引出端在硅片的同一表面上的横向结构相比，纵向沟道MOS管的漏极与源极制作在硅片相对的两面上。这种结构设计适合于功率器件，因为源极能够利用更大的空间。由于源―漏之间长度减小，解决了漏―源电流增加的难题;同时采用了外延层(漏极漂移区)沟槽也极大地提高了阻断电压。纵向结构mos经过这些年的发展，主要产生了VMOSFET，DMOSFET，UMOSDET等结构。VMOSFET结构，这种结构如图(a)所示。栅极采用V型沟槽设计是第一种可以用于商业化生产的产品。由于制造工艺的难度和V形槽“尖端”电场过于集中的问题，VMOSFET很快被DMOSFET替代。DMOSFET结构如图(b)所示。这种结构是用“双扩散"的方法来形成P型基区和N+型源区。这种方法使得产品在大规模商业化生产中获得成功。UMOSFET结构如图(c)所示。名称来自栅区是制作在U形槽上，与VMOSFET和DMOSFET相比，UMOSFET的沟道密度更大，因此，导通电阻也更小。用于UMOSFET沟槽蚀刻工艺技术在上世纪九十年代得到成功运用。纵向沟道MOS管结构（a）(a)VMOSFET结构(c)UMOSFET结构(b)DMOSFET结构MOSFET产品介绍1.漏–源导通电（RDS(on)）图1:MOSFET内部电阻的剖面结构图RDS(on)是MOSFET在导通时，源–漏极之间的总电阻，这是一个决定最大电流和损耗的重要参数。为了减小RDS(on)，可以从下面公式考虑：RDS(on)=RN+RCH+RA+Rj+RD+RS其中：OnCharacteristics（a）RN+:N+源区的电阻，这个电阻只占RDS(on)的很小一部分。RCH:沟道区电阻，在低压MOSFET的这个电阻在RDS(on)起决定作用。这个电阻由沟道长宽比（W/L）,栅氧化层厚度，栅极电压决定。RA:当栅极加电压时，N–区外延层表面（Cgd电容的下面）会产生电荷的积累，沟道与JFET之间形成一个电流通道。这层积累区的电阻就是RA。积累层的电荷与表面载流子的迁移率都会影响RA。栅压的降低会影响到积累的长度，因此，RA的降低同时伴随着RJ的增加。RJ:两个P区之间的N-外延层被称为JFET区，P区相当于JFET的栅极。因此，这个电阻被称为RJ。RD:P区的下面与衬底的顶部之间的电阻称为RD。在高压MOSFET中，RD在RDS(on)中占的比例最大。RS：这个是衬底区的电阻。在高压MOSFET中完全可以忽略，但是在电压低于50V的低压MOSFET，RS的影响是较大的。其它的附加电阻包括：源极-漏极非正常的金属化接触，器件封装时，N+半导体区（衬底）与外引线连接。RDS(on)随温度的变化（正温度系数）这是因为电子和空穴的迁移率会随温度的上升而下降。导通电阻对器件稳定工作和电流来讲是一个重要特点。随温度的上升而增加这一点在器件应用的线路设计必须充分考虑。OnCharacteristics

2.阀值电压（VGS（th））

阀值电压是值在漏–源极之间可以形成沟道的最小栅极电压。在饱和区中，漏极电流是以（VGS-VGS(th)）2的比例增加的。VGS（th）是由栅氧化层厚度控制的。正常情况下，较厚的栅氧化层可以使高压MOSFETVGS(th)达到2～4V;而薄栅氧化层可以使低压MOSFET（多用于逻辑电路）控制在1～2V。同时，VGS(th)还受到掺杂的影响（MOSFET沟道P区的掺杂浓度），即：VGS（th）与P区掺杂浓度的平方根成比例。VGS（th）会随温度增加而下降。下降的比例受栅氧化层厚度与P区掺杂浓度的影响。一般来说，栅氧化层增厚和P区杂质浓度增加会下降的比例增大。跨导（gfs）由于mosfet工作在饱和区时，电流受栅源过驱动电压的控制，所以我们定义一个性能系数来表示电压转换电流的能力，跨导（gfs）

gfs=

gm代表器件的灵敏度：对于一个大的gm来讲，VGS的一个微小的改变会引起ID产生很大的变化。

VDS选择在器件的饱和区。所加的VGS应该是可达到最大漏极电流的1/2处。影响gfs的两个因数是：沟道的长/宽比和栅氧化层厚度。如图15所示，加VG（th）之后,gfs会随着漏极电流增加而迅速增加，当漏极电流达到某一点之后出现ID较大处，这种变化就趋于一个常数。如果gfs很大，就说明在低栅压时，器件的大电流处理能力很强。图2：转移特性曲线与gfs由于温度的增加会使载流子迁移率下降，从而导致gfs的下降。这一点类似于温度与RDS(on)的关系。OffCharacteristics1.漏–源击穿电压（BVDSS）BVDSS是（栅–源短路）MOSFET能够承受的雪崩击穿时的最大漏–源电压。测试条件是VGS=0V,ID=250uA。BVDSS是有漂移区（N-外延层）长度决定的。驱使器件进入击穿状态的五个因素：雪崩、穿越、穿通、齐纳、介质。

Pn结温升高时，电压会线性增加。即：结温升到100℃时，BVDSS会增加到25℃的10%。（参见规格书)2.漏–源泄漏电流(IDSS)这个参数的测试条件（栅–源短路）有两种：①.在最大工作电压下测量；(见规格书如2N60，VDS=600V，VGS=0V）②.TC=125℃，80%的最高电压下测量；IDSS也是正温度系数，而且比BVDSS对温度更敏感。3.栅-源电压（VGS）这是指栅-源最高工作电压。栅-源反向偏置时，负电压能够更快的实现关断。4.栅-源泄漏电流—正向与方向（±IGSS）

在最高的栅-源电压下测试栅-源之间的漏电流。VGS极性改变可以测量正向或者方向的泄漏电流。IGSS的大小取决于栅氧化层的质量与芯片尺寸。(见规格书如2N60，VGS=30V，VDS=0V）DynamicCharacteristicsMOSFET电容特性源极(金属•铝)栅极(多晶硅)CDSNPCDSCDECCHCCHCPPCFF漏极(金属)图3DynamicCharacteristicsMOSFET包含的各种“寄生”电容如图3所示功率MOSFET器件的开关时间主要由内部电容的充/放过程决定。图3所示的“寄生”(杂散)电容可以归结为三种极间电容：

1.栅极-源极电容CGSCGS由两部分组成：(1)沟道区域的栅极氧化场电容CCH;(2)栅极电极与源极电极平行结构而构成的CPP；这两个电容中：CCH>>CPP;

2.栅极-漏极电容CGD

由两部分串联构成：(1)氧化场静电电荷电容CFF;(2)MOS界面耗散电容CDE;这两个电容与VDS关系密切，当VDS较小时，CFF>>CDE当VDS较大时，CFF<<CDECGD又称为“密勒”电容，或“反向传输电容”；

DynamicCharacteristics3.漏极-源极电容CDSCDS本质上是PN结耗尽层电容；因此，对电压(VDS)依赖很大，即VDS低时，CDS很大；随着VDS增高而减小。4.在MOSFET的《规格书》常常给出以下电容值：

(1)输入电容CISS

=CGS+CGD

(2)输出电容COSS=CDS+CGD

(3)反向传输电容CRSS=CGD

以上电容值的典型规范值为(以2N60为例)CISS=270pFCOSS=40pFCRSS=5pF图4：寄生电容的等效电路SwitchingCharacteristicsPowerMOSFET有良好的开关特性，这是因为没有少数载流子存贮造成的延迟，以及开关特性不受温度变化的影响。下图按照开关顺序来划分的波形图，说明开关时间的定义图5：开关波形1.开关特性（td（on）、tr、td（off）、tf）SwitchingCharacteristicstd（on）(导通延迟)：这段时间是用于栅极电压开始上升并达到阀值电压VGS（th）的时间。输入电容在这时要充电，即：电容通过充电达到阀值电压。Tr(上升时间)：这段时间是VGS达到VGS（th）后到器件完全导通的时间。这段时间分为两部分：首先是漏极电流从零开始（栅极电压的增加与转移特性一致）到达负载电流。其次，漏极电压开始下降到导通压降。如栅极电荷特性曲线所示，由于栅极电压VGS保持不变（VGS（th）,漏极电流也是恒定的。在上升时间（tr）内，同时存在高电压和大电流，因此，器件的功耗会很大。减小栅极串联电阻和栅-漏电容（Cgd）也会缩短上升时间。在这之后，无论栅极电压是否增加，漏极电压和电流维持恒定，不会对上升时间造成影响。Td(off)（关断延迟）：在关断开始的瞬间，栅极电压仍维持着导通状态但开始减少。在一段时间内，漏极电压和电流没有变化。Tf(下降时间)：tf是指在td(off)之后，栅极电压达到阀值电压的这段时间。这段时间划分为：漏极电压的导通电压到达电源电压，漏极电流从负载电源变为零。与tr一样，关断过程的tf也会发生功率损耗。因此，tf越短越好。在这之后，栅极电压继续减小直至零，但漏极电压和电流维持稳态不会对下降时间产生影响。SwitchingCharacteristics栅极电荷特性是指MOSFET在导通或者关断过程中电荷量的变化。规格书中常提及以下三种电荷量：总栅电荷…Qg(t0-t4过程电荷量)栅–源电荷………………..Qgs(t0-t2过程电荷量)栅–漏(密勒)电荷……………..Qgd(t2-t3过程电荷量)图6显示了在导通过程中，栅―源电压，栅―源电流，漏–源电压，漏–源电流的变化。“二极管箝位感性负载”等效电路分成四个时间段。图6：导通过程时,VGS(t),iG(t),VDS(t),iD(t)的曲线AbsoluteMaximumRatings单脉冲雪崩能量（EAS）:单次雪崩状态下器件能够消耗的最大能量。功率MOSFET雪崩击穿理论分析图7为MOSFET的体内等效电路，其中含有一个寄生的双极性晶体管V2，它的集电极、发射极同时也是MOSFET的漏极和源极。当MOSFET漏极存在大电流Id，高电压Vd时，器件内电离作用加剧，出现大量的空穴电流，经Rb流入源极，导致寄生三极管基极电势Vb升高，出现所谓的“快回(Snap-back)”现象，即在Vb升高到一定程度时，寄生三极管V2导通，集电极（即漏极）电压快速返回达到晶体管基极开路时的击穿电压（增益很高的晶体管中该值相对较低），从而发生雪崩击穿，如图2所示。图7体内等效电路图8

外部分析电路图9

雪崩击穿时I－V曲线AbsoluteMaximumRatings功率MOSFET的关断（在感性负载线路中）导通状态时（对n沟道器件，所加的正电压超过阀值电压），电子会沿着半导体表面的反型层（沟道）从源极朝漏极流动，这就形成了从漏极到源极的电流。如果是电感作为负载，这个电流将线性增加。MOSFET关断，栅极电压必须去掉或者加负电压，使表面反型层消失。一旦反型层电荷开始消失，沟道电流（漏极电流）开始减少，为了维持漏极电流，电感负载就要增加漏极电压。当漏极电压增加时，漏极电流分为沟道电流和位移电流两部分。位移电流是体内二极管（drain–boydiode）的耗尽区扩展产生的电流，而且与dVDS/dt（漏极电压的上升速率）成正比。dVDS/dt受到栅极快速放电和漏区耗尽层快速充电的限制。特别是漏区耗尽层的充电取决于Cds与漏极电流的增幅。当漏极电压增加时，不能通过外部电路进行箝位，（UIS）体内二极管通过雪崩倍增开始建立电流，器件进入维持模式。当器件进入“维持模式”时，全部漏极电流（雪崩电流）都要通过体内二极管并受到电感负载（此时沟道电流等于零）的控制。如果这个电流（泄漏电流，位移电流，dVDS/dt电流，雪崩电流）流入体内二极管（在这下面