搞懂MOS管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及如何制造詳解

MOS管作為半導(dǎo)體領(lǐng)域最基礎(chǔ)的器件之一，無論是在IC 設(shè)計(jì)里，還是板級(jí)電路應(yīng)用上，都十分廣泛。

MOS管一般是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source（源極）和drain（耗盡層）是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

MOS管目前尤其在大功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，各種結(jié)構(gòu)的 MOS 管更是發(fā)揮著不可替代的作用。作為一個(gè)基礎(chǔ)器件，往往集簡(jiǎn)單與復(fù)雜與一身，簡(jiǎn)單在于它的結(jié)構(gòu)，復(fù)雜在于基于應(yīng)用的深入考量。

MOS管元器件半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)詳解

作為半導(dǎo)體器件，它的來源還是最原始的材料，摻雜半導(dǎo)體形成的P和N型物質(zhì)。

那么，在半導(dǎo)體工藝?yán)铮绾沃圃霱OS管的？

這就是一個(gè) NMOS 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，一個(gè)看起來很簡(jiǎn)單的三端元器件。具體的制造過程就像搭建積木一樣，在一定的地基（襯底）上依據(jù)設(shè)計(jì)一步步“蓋”起來。

MOS 管的符號(hào)描述如下：

MOS管的工作機(jī)制

以增強(qiáng)型 MOS 管為例，我們先簡(jiǎn)單來看下 MOS 管的工作原理。

由上圖結(jié)構(gòu)我們可以看到 MOS 管類似三極管，也是背靠背的兩個(gè)PN結(jié)！三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區(qū)通過電子-空穴復(fù)合來控制CE之間的導(dǎo)通，MOS 管則利用電場(chǎng)來在柵極形成載流子溝道來溝通DS之間。

如上圖，在開啟電壓不足時(shí)，N區(qū)和襯底P之間因?yàn)檩d流子的自然復(fù)合會(huì)形成一個(gè)中性的耗盡區(qū)。

給柵極提供正向電壓后，P區(qū)的少子（電子）會(huì)在電場(chǎng)的作用下聚集到柵極氧化硅下，最后會(huì)形成一個(gè)以電子為多子的區(qū)域，叫反型層，稱為反型因?yàn)槭窃赑型襯底區(qū)形成了一個(gè)N型溝道區(qū)。這樣DS之間就導(dǎo)通了。

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的MOS管開啟模擬：

這是MOS管電流Id隨Vgs變化曲線，開啟電壓為1.65V。下圖是MOS管的IDS和VGS與VDS 之間的特性曲線圖，類似三極管。

下面我們先從器件結(jié)構(gòu)的角度看一下MOS管的開啟全過程。

1、Vgs對(duì)MOS管的開啟作用

一定范圍內(nèi)Vgs>Vth，Vds

Vgs為常數(shù)時(shí)，Vds上升，Id近似線性上升，表現(xiàn)為一種電阻特性。

Vds為常數(shù)時(shí)，Vgs上升，Id近似線性上升，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。

即曲線左邊

2、Vds對(duì)MOS管溝道的控制

當(dāng)Vgs>Vth，Vds

當(dāng)Vds>Vgs-Vth后，我們可以看到因?yàn)镈S之間的電場(chǎng)開始導(dǎo)致右側(cè)的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開始變緩慢。當(dāng)Vds增大一定程度后，右溝道被完全夾斷了！

此時(shí)DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區(qū)，夾斷區(qū)的增大即溝道寬度W減小導(dǎo)致的電阻增大抵消了Vds對(duì)Id的正向作用，因此導(dǎo)致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時(shí)的D端載流子是在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下掃過耗盡區(qū)達(dá)到S端！

這個(gè)區(qū)域?yàn)镸OS管的恒流區(qū)，也叫飽和區(qū)，放大區(qū)。

但是因?yàn)橛袦系勒{(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致溝道長(zhǎng)度 L 有變化，所以曲線稍微上翹一點(diǎn)。

重點(diǎn)備注：MOS管與三極管的工作區(qū)定義差別

三極管的飽和區(qū)：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。

MOS管的飽和區(qū)：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。

3、擊穿

Vgs 過大會(huì)導(dǎo)致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。

Vds 過大會(huì)導(dǎo)致D和襯底之間的反向PN結(jié)雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。

三、 MOS管的開關(guān)過程分析

如果要進(jìn)一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到開啟的全過程，必須建立一個(gè)完整的電路結(jié)構(gòu)模型，引入寄生參數(shù)，如下圖。

t0~t1階段：柵極電流對(duì)Cgs和Cgd充電，Vgs上升到開啟電壓Vgs(th)，此間，MOS沒有開啟，無電流通過，即MOS管的截止區(qū)。在這個(gè)階段，顯然Vd電壓大于Vg，可以理解為電容 Cgd 上正下負(fù)。

t1~t2階段：Vgs達(dá)到Vth后，MOS管開始逐漸開啟至滿載電流值Io，出現(xiàn)電流Ids，Ids與Vgs呈線性關(guān)系，這個(gè)階段是MOS管的可變電阻區(qū)，或者叫線性區(qū)。

t2~t3階段：在MOS完全開啟達(dá)到電流Io后，柵極電流被完全轉(zhuǎn)移到Ids中，導(dǎo)致Vgs保持不變，出現(xiàn)米勒平臺(tái)。在米勒平臺(tái)區(qū)域，處于MOS管的飽和區(qū)，或者叫放大區(qū)。

在這一區(qū)域內(nèi)，因?yàn)槊桌招?yīng)，等效輸入電容變?yōu)椋?+K）Cgd。

米勒效應(yīng)如何產(chǎn)生的：

在放大區(qū)的 MOS管，米勒電容跨接在輸入和輸出之間，為負(fù)反饋?zhàn)饔谩＞唧w反饋過程為：Vgs增大>mos開啟后Vds開始下降>因?yàn)槊桌针娙莘答亴?dǎo)致Vgs也會(huì)通過Cgd放電下降。這個(gè)時(shí)候，因?yàn)橛型獠繓艠O驅(qū)動(dòng)電流，所以才會(huì)保持了Vgs不變，而Vds還在下降。

t3-t4階段：渡過米勒平臺(tái)后，即Cgd反向充電達(dá)到Vgs，Vgs繼續(xù)升高至最終電壓，這個(gè)電壓值決定的是MOS管的開啟阻抗Ron大小。

我們可以通過仿真看下具體過程：

由上面的分析可以看出米勒平臺(tái)是有害的，造成開啟延時(shí)，不能快速進(jìn)入可變電阻區(qū)，導(dǎo)致?lián)p耗嚴(yán)重，但是這個(gè)效應(yīng)又是無法避免的。

目前減小 MOS 管米勒效應(yīng)的幾種措施：

a：提高驅(qū)動(dòng)電壓或者減小驅(qū)動(dòng)電阻，目的是增大驅(qū)動(dòng)電流，快速充電。但是可能因?yàn)榧纳姼袔碚鹗巻栴}。

b:ZVS 零電壓開關(guān)技術(shù)是可以消除米勒效應(yīng)的，即在 Vds 為 0 時(shí)開啟溝道，在大功率應(yīng)用時(shí)較多。

c:柵極負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)，增加設(shè)計(jì)成本。

d: 有源米勒鉗位。即在柵極增加三極管，關(guān)斷時(shí)拉低柵極電壓。

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