MOSFET工作原理与应用

1、摘要本文从金属氧化物半导体场效应晶体管的物理结构入手，深入分析了金属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理，然后阐述了金属氧化物半导体场效应晶体管的应用电路、常见故障模式以及如何改进以防止类似事件再次发生。有助于设计和应用工程师对研发阶段的场效应晶体管的选择有更深的理解，以及应该注意什么，从而防止设计中材料的错误选择和后期制造中质量异常的频繁发生。常见的故障模型还可以让工厂工程师清楚地了解工厂中场效应晶体管的故障。当场效应晶体管在工厂组装测试中失败时，他们可以知道从哪里开始做相关的失效分析，以免无处可去，从而走错方向，浪费大量时间做实验。节省人工成本和测试成本。更重要的是，找出故障的真正原因，并采

2、取相应的遏制措施和改进措施，以确保客户的产品能够低风险、按时装运。关键词：场效应晶体管，物理结构，工作原理，应用电路，故障模式内容第一章场效应晶体管简介-4第二章开关-5 7的特点和工作原理第三章物理结构和生产技术-8 9第四章常见应用和示例-10 13第五章故障模式及改进-14 20第六章总结-21。第一章场效应晶体管简介MOSFET是金属氧化物半导体场效应晶体管的英文缩写，中文翻译为“金属氧化物半导体场效应晶体管”。它是由金属、氧化物(二氧化硅或氮化硅)和半导体制成的器件。也就是说，金属层(m)的栅极用于通过氧化物层(o)控制半导体场效应晶体管。从目前的观点来看，场效应晶体管的命名实际上会

3、给人错误的印象。因为代表金属氧化物半导体场效应晶体管中“金属”的第一个字母M现在在大多数类似的元件中并不存在。在早期，金属被用作金属氧化物半导体场效应晶体管的栅电极，但是随着半导体技术的发展，多晶硅已经取代金属作为现代金属氧化物半导体场效应晶体管的栅电极。今天，硅通常是半导体器件的首选材料，但是一些半导体公司已经开发了使用其他半导体材料的工艺，其中最著名的是由IBM开发的使用硅和锗的混合物的硅锗工艺。不幸的是，许多具有良好电性能的半导体材料，如砷化镓(GaAs)，不能用于制造场效应晶体管器件，因为它们不能在表面生长高质量的氧化层。金属氧化物半导体场效应晶体管按沟道类型可分为N沟道和P沟道，按工

4、作模式可分为增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(或EMOS)和耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(或DMOS)，因此有四种金属氧化物半导体场效应晶体管：增强型n沟道mos(e-NMOS fet)；耗尽型n沟道mos(d-NMOS fet)；增强型p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管；耗尽型p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管第二章开关的特点和工作原理一、场效应晶体管电路符号和开关特性金属氧化物半导体场效应晶体管可以被模拟成一个简单的开关，处于开、关、关、开、关、开状态。它的动作非常类似于打开和关闭房间里的电灯开关，只是它使用逻辑信号来控制它的电子对应物。图1 NMOS图2 PMOS上图显示了NMO

5、S和PMOS的电路符号。图1这种特殊的装置被称为n通道M O S F E T，简称n F E T，因为它依靠负电荷产生电流。该器件有三个端口，分别标记为栅极、漏极和源极。请注意，网格被指定为“控制”电极。本质上，施加到栅极的电压决定了电流是否从漏极流向源极。换句话说，符号中所示的电流I的值由施加到栅极的电压决定。门作为控制端的设计是理解晶体管操作被视为逻辑开关的关键。图3电流流经nFET图3总结了n-F-E-T的电气操作。用电子术语来说，只是施加到栅极和源极的电压控制着场效应晶体管的工作.为了我们想要达到的目的，我们只需要考虑两个电压值。在图3a中，施加在栅极和源极之间的电压是VG s=0 v

6、。这将导致漏极和源极之间的电流为零(I=0)，并且晶体管的状态被称为关断(C U T O FF)；在物理上，I=0相当于两个端点之间没有连接。另一方面，如果栅极到源极的电压设置为高值，电流可以从漏极流入，从源极流出。当电流在两个端子之间流动时，两个端子电连接。这可以由图3b表示。在这种情况下，晶体管是据说是“一个”或“不”.虽然仅用n-F-E-T来构造逻辑电路是可行的，但C-M-O-S设计还依赖于另一个晶体管，即“互补”M-O-S-F-E-T，它利用正电荷形成电流。第二个晶体管叫做P沟道晶体管，简称简它被称为p-F-E-T，是n-F-E-T的电学和逻辑补语。它的确切含义是什么？所有的电压极性(

7、端子和-端子)和电流方向都与正电动势相反。控制属性与负电动势相反图2显示了p . F . E . T .的电路符号，注意它与n . F . E . T .所使用的符号具有相同的特征，除了在p . F . E . T .的门处有一个倒置的气泡。这使我们能够将其与n . F . E . T .区分开来，但更重要的是，但这意味着，应用于门的逻辑控制将产生与我们讨论的n-F-E-T情况相反的效果。还应注意，源极和漏极是反向的，因此电流从源极流入，从漏极流出。因为p-F-E-T与n-F-E-T相反，装置的工作特性只能仅通过颠倒在非功能性测试中讨论的一切来理解。在功能性测试的情况下，源极至栅极电压VS(源

8、极电压减去栅极电压)用于控制器件行为。如果从源极到栅极的电压为VS G=VDD，晶体管允许电流流动，并且它处于激活或非激活状态。如果从源极到栅极的电压很小，并且VS G=0 v，那么p F E T处于C U TO F F(或简称O F F)状态，此时没有电流流过晶体管。p F E T .的操作如图6-9所示。图4电流流经功率场效应晶体管与图4中对应的n-F-E-T相比，我们可以看到开关的动作完全相反。再次，这是因为n-F-E-T和p-F-E-T是互补的电子设备。一、工作原理图5中的是典型的平面n沟道增强金属氧化物半导体场效应晶体管的截面图。它使用一片P型硅半导体材料作为衬底(图1a)，在其表面

9、上扩展两个N型区域(图1b)，然后覆盖二氧化硅绝缘层(图1c)。最后，通过蚀刻在氮区上方形成两个孔，并且通过金属化在绝缘层上和两个孔中形成三个电极：栅极、源极和漏极。通常，衬底和源极在内部连接在一起。图5是n沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如增加工作电流、增加工作电压、降低导通电阻和改善开关特性，有不同的结构和工艺，构成了所谓的VMOS、DMOS、TMOS等结构。图2是n沟道增强型功率MOSFET的结构图。图5场效应晶体管结构为了使增强型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管工作，在栅极和源极之间施加正电压VGS，在漏极和源极之间施加正电压VDS，从而产

10、生正向工作电流。工作电流可以通过改变VGS电压来控制。如图5 (3)所示，如果没有首先连接VGS(即，vgs=0)，则在d极和s极之间施加正电压VDS，并且漏极d和衬底之间的PN结反向，因此漏极和源极不能导电。如果在栅极g和源极s之间施加电压VGS。此时，栅极和衬底可以被视为电容器的两个极板，并且氧化物绝缘层用作电容器的电介质。当施加VGS时，在绝缘层和栅电极之间的界面处感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底之间的界面处感应出负电荷(图5中的(3)。由该层感应的负电荷与P型衬底中多数载流子(空穴)的极性相反，因此被称为“反型层”，其可以连接漏极和源极N型区域以形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应

11、的负电荷较少，这将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况下漏极和源极之间仍然没有电流ID。当VGS增加到一定值时，感应负电荷连接两个分离的氮区，形成一个氮通道。这个临界电压被称为阈值电压(或阈值电压，mosfet)，它由符号VT表示(通常，ID=10UA的VGS被定义为VT)。当VGS持续增加时，负电荷增加，导电通道扩大，电阻降低，内径也增加，这显示出良好的线性关系，如图5 (4)所示。这条曲线被称为转换特性。因此，在一定范围内，可以认为改变VGS可以控制漏极和源极之间的电阻，达到控制漏极电流的作用。由于这种结构，当Vgs=0，ID=0时，这种场效应晶体管被称为增强模式。当Vgs=0时，另一种

12、金属氧化物半导体场效应晶体管也有一个特定的标识(称为IDSS)，称为耗尽型。其结构如图5中所示，其传递特性如图5中所示。VP是夹断电压(标识=0)。耗尽型和增强型的主要区别在于二氧化硅绝缘层中存在大量的正离子，这导致p型衬底的界面上产生更多的负电荷，即在两个n型区域之间的p型硅中形成一个n型硅薄层，形成导电沟道，因此当vgs=0时，在VDS的作用下存在一定的id(IDSS)；当VGS有电压(正或负)时，它会改变感应负电荷的数量，从而改变内径的大小。当id=0时，VP为-VGS，这称为夹断电压第三章物理结构和生产技术一、物理结构场效应晶体管的封装形式可以说是眼花缭乱，五花八门，包括DIP、SIP

13、、TSOP、SOJ、SSOP、BGA等。图6场效应晶体管封装形式场效应晶体管呈现出三维结构，所以我们应该从截面图和俯视图来研究它。图7首先给出了横截面视图，这可以帮助读者理解该设备的电特性。图6a是nFET的符号图，图6b示出了晶体管的物理实现。截面图显示了芯片的横截面。图7场效应晶体管封装形式晶体管形成在p型硅片(称为衬底)的表面。基底可以保证机械强度，它只有几微米厚。栅极由多晶硅制成，其化学成分也是硅，但它不是单晶，而是许多小晶体，通常简称为多晶硅。晶体管的左节点和右节点(源极和漏极)由氮型硅材料制成，并且在它们上面添加一层金属以提供电连接。如果栅源电压太小，晶体管就不能导通，VG S小于

14、0。5伏不足以改变半导体中的电荷分布。p型区域防止电子在两个n型区域之间移动，因此在它们之间不产生电流。在这种情况下，晶体管处于截止状态，源极和漏极的两端就像一个打开的开关。如果VG S增加，栅极和衬底之间的电场将吸引电子，在氧化物下形成带负电的电子层。电子层被称为c h a n e l(c h a n e l)，因为它为两个相邻的电子层提供了导电通道如图8a所示，硅集成电路在较大的硅晶片上制造。一般来说，一幅画的周长大约是8到10英寸。许多单独的电路同时在晶片上制造。图7-7 b中的每个小块都是一个集成电路图8硅片每个集成电路由不同的材料层组成，每层的图形和电特性也不同。在每一层上形成不同图

15、案的过程称为光刻。平版印刷类似于照相和冲洗底片的过程，但是它的精度很高，并且它可以产生宽度小于0的图形。5微米(毫米)。在日常语言中，微米经常被简化为微米。生产这种微小电路的能力使我们能够制造超大规模集成电路。硅晶片制造完成后，通常会被运送到封装和测试工厂，在那里对晶片进行切割、安装、布线、树脂封装、代码印刷、焊脚电镀、焊脚成型、测试、封装和运输。图9密封和测试设备流程第四章常见应用小信号MOSFET主要用于模拟电路的信号放大和阻抗变换，但也可用于开关或斩波。除了少数功率金属氧化物半导体场效应晶体管用于音频功率放大器，工作在线性范围。它们大多用作开关和驱动器，在开关状态下工作。耐压范围从几十伏

16、到几千伏，工作电流可达几安培到几十安培。功率MOSFET都是增强型MOSFET，具有出色的开关特性。近年来，功率金属氧化物半导体场效应晶体管广泛应用于电源、计算机和外围设备(软、硬盘驱动器、打印机、扫描仪等)。)、消费电子、通信设备、汽车电子和工业控制。1.金属氧化物半导体管的类型和结构场效应管是场效应管的一种(另一种是JFET)，它可以制造成四种类型：增强型或耗尽型、P沟道或N沟道。然而，实际上仅使用增强型的N沟道金属氧化物半导体管和增强型的P沟道金属氧化物半导体管，所以通常提到NMOS或PMOS。右边是这两种金属氧化物半导体管的符号。对于这两个增强型金属氧化物半导体晶体管，NMOS是常用的。原因是导通电阻小且易于制造。因此，NMOS通常用于开关电源和电机驱动应用。在下面的介绍中，主要使用了NMOS。从MOS管的原理图可以看出，在漏极