搞懂MOS管半導體結構及如何制造詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-04-26
MOS管作為半導體領(lǐng)域最基礎的器件之一，無(wú)論是在IC 設計里，還是板級電路應用上，都十分廣泛。
MOS管一般是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場(chǎng)效應晶體管，或者稱(chēng)是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source（源極）和drain（耗盡層）是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個(gè)兩個(gè)區是一樣的，即使兩端對調也不會(huì )影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱(chēng)的。
MOS管目前尤其在大功率半導體領(lǐng)域，各種結構的 MOS 管更是發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。作為一個(gè)基礎器件，往往集簡(jiǎn)單與復雜與一身，簡(jiǎn)單在于它的結構，復雜在于基于應用的深入考量。
作為半導體器件，它的來(lái)源還是最原始的材料，摻雜半導體形成的P和N型物質(zhì)。
那么，在半導體工藝里，如何制造MOS管的？
這就是一個(gè) NMOS 的結構簡(jiǎn)圖，一個(gè)看起來(lái)很簡(jiǎn)單的三端元器件。具體的制造過(guò)程就像搭建積木一樣，在一定的地基（襯底）上依據設計一步步“蓋”起來(lái)。
MOS 管的符號描述如下：
以增強型 MOS 管為例，我們先簡(jiǎn)單來(lái)看下 MOS 管的工作原理。
由上圖結構我們可以看到 MOS 管類(lèi)似三極管，也是背靠背的兩個(gè)PN結！三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區通過(guò)電子-空穴復合來(lái)控制CE之間的導通，MOS 管則利用電場(chǎng)來(lái)在柵極形成載流子溝道來(lái)溝通DS之間。
如上圖，在開(kāi)啟電壓不足時(shí)，N區和襯底P之間因為載流子的自然復合會(huì )形成一個(gè)中性的耗盡區。
給柵極提供正向電壓后，P區的少子（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)以電子為多子的區域，叫反型層，稱(chēng)為反型因為是在P型襯底區形成了一個(gè)N型溝道區。這樣DS之間就導通了。
下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的MOS管開(kāi)啟模擬：
這是MOS管電流Id隨Vgs變化曲線(xiàn)，開(kāi)啟電壓為1.65V。下圖是MOS管的IDS和VGS與VDS 之間的特性曲線(xiàn)圖，類(lèi)似三極管。
下面我們先從器件結構的角度看一下MOS管的開(kāi)啟全過(guò)程。
1、Vgs對MOS管的開(kāi)啟作用
一定范圍內Vgs>Vth，Vds
Vgs為常數時(shí)，Vds上升，Id近似線(xiàn)性上升，表現為一種電阻特性。
Vds為常數時(shí)，Vgs上升，Id近似線(xiàn)性上升，表現出一種壓控電阻的特性。
即曲線(xiàn)左邊
2、Vds對MOS管溝道的控制
當Vgs>Vth，Vds
當Vds>Vgs-Vth后，我們可以看到因為DS之間的電場(chǎng)開(kāi)始導致右側的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開(kāi)始變緩慢。當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，夾斷區的增大即溝道寬度W減小導致的電阻增大抵消了Vds對Id的正向作用，因此導致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時(shí)的D端載流子是在強電場(chǎng)的作用下掃過(guò)耗盡區達到S端！
這個(gè)區域為MOS管的恒流區，也叫飽和區，放大區。
但是因為有溝道調制效應導致溝道長(cháng)度 L 有變化，所以曲線(xiàn)稍微上翹一點(diǎn)。
重點(diǎn)備注：MOS管與三極管的工作區定義差別
三極管的飽和區：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。
MOS管的飽和區：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。
3、擊穿
Vgs 過(guò)大會(huì )導致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。
Vds 過(guò)大會(huì )導致D和襯底之間的反向PN結雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。
三、 MOS管的開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)啟的全過(guò)程，必須建立一個(gè)完整的電路結構模型，引入寄生參數，如下圖。
t0~t1階段：柵極電流對Cgs和Cgd充電，Vgs上升到開(kāi)啟電壓Vgs(th)，此間，MOS沒(méi)有開(kāi)啟，無(wú)電流通過(guò)，即MOS管的截止區。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。
t1~t2階段：Vgs達到Vth后，MOS管開(kāi)始逐漸開(kāi)啟至滿(mǎn)載電流值Io，出現電流Ids，Ids與Vgs呈線(xiàn)性關(guān)系，這個(gè)階段是MOS管的可變電阻區，或者叫線(xiàn)性區。
t2~t3階段：在MOS完全開(kāi)啟達到電流Io后，柵極電流被完全轉移到Ids中，導致Vgs保持不變，出現米勒平臺。在米勒平臺區域，處于MOS管的飽和區，或者叫放大區。
在這一區域內，因為米勒效應，等效輸入電容變?yōu)椋?+K）Cgd。
米勒效應如何產(chǎn)生的：
在放大區的 MOS管，米勒電容跨接在輸入和輸出之間，為負反饋作用。具體反饋過(guò)程為：Vgs增大>mos開(kāi)啟后Vds開(kāi)始下降>因為米勒電容反饋導致Vgs也會(huì )通過(guò)Cgd放電下降。這個(gè)時(shí)候，因為有外部柵極驅動(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(guò)米勒平臺后，即Cgd反向充電達到Vgs，Vgs繼續升高至最終電壓，這個(gè)電壓值決定的是MOS管的開(kāi)啟阻抗Ron大小。
我們可以通過(guò)仿真看下具體過(guò)程：
由上面的分析可以看出米勒平臺是有害的，造成開(kāi)啟延時(shí)，不能快速進(jìn)入可變電阻區，導致?lián)p耗嚴重，但是這個(gè)效應又是無(wú)法避免的。
目前減小 MOS 管米勒效應的幾種措施：
a：提高驅動(dòng)電壓或者減小驅動(dòng)電阻，目的是增大驅動(dòng)電流，快速充電。但是可能因為寄生電感帶來(lái)震蕩問(wèn)題。
b:ZVS 零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)是可以消除米勒效應的，即在 Vds 為 0 時(shí)開(kāi)啟溝道，在大功率應用時(shí)較多。
c:柵極負電壓驅動(dòng)，增加設計成本。
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。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
