mosfet特性（圖文解析）-細說(shuō)mosfet結構及參數知識

mosfet

mosfet特性詳解，mosfet是金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場(chǎng)效晶體管（field-effect transistor）。 [1]  MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類(lèi)型，通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)上包括NMOS、PMOS等。

圖1

mosfet結構詳解

圖2

圖2是典型平面N溝道增強型NMOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導體材料作襯底，在其面上擴散了兩個(gè)N型區，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2）絕緣層，最后在N區上方用腐蝕的方法做成兩個(gè)孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內做成三個(gè)電極：G(柵極）、S（源極）及D（漏極），如圖所示。

從圖2中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個(gè)PN結。一般情況下，襯底與源極在內部連接在一起，這樣，相當于D與S之間有一個(gè)PN結。

圖2是常見(jiàn)的N溝道增強型MOSFET的基本結構圖。為了改善某些參數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開(kāi)關(guān)特性等有不同的結構及工藝，構成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結構。雖然有不同的結構，但其工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。

mosfet特性詳解

講完什么是mosfet及mosfet結構之后歐，我們現在來(lái)看看mosfet特性。

1、mosfet特性-靜態(tài)特性；其轉移特性和輸出特性如圖3所示

圖3

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉移特性，ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線(xiàn)性，曲線(xiàn)的斜率定義為跨導Gfs。

mosfet特性，MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區（對應于GTR的截止區）；飽和區（對應于GTR的放大區）；非飽和區（對應于GTR的飽和區）。電力 MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區和非飽和區之間來(lái)回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數，對器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

2、mosfet特性-動(dòng)態(tài)特性；其測試電路和開(kāi)關(guān)過(guò)程波形如圖4所示

圖4

開(kāi)通過(guò)程；開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) —up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始出現iD的時(shí)刻間的時(shí)間段；

上升時(shí)間tr— uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區的柵壓UGSP的時(shí)間段；

iD穩態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩態(tài)值有關(guān)，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續升高直至達到穩態(tài)，但iD已不變。

開(kāi)通時(shí)間ton—開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) —up下降到零起，Cin通過(guò)Rs和RG放電，uGS按指數曲線(xiàn)下降到UGSP時(shí)，iD開(kāi)始減小為零的時(shí)間段。

下降時(shí)間tf— uGS從UGSP繼續下降起，iD減小，到uGS

關(guān)斷時(shí)間toff—關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。

降低高壓MOSFET導通電阻的原理與方法

1、不同耐壓的MOSFET的導通電阻分布

不同耐壓的MOSFET，其導通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOSFET，其外延層電阻僅為 總導通電阻的29%，耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導通電阻將幾乎被外 延層電阻占據。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規高壓MOSFET結構所導致的高導通電阻的根本原因。

2、降低高壓MOSFET導通電阻的思路

增加管芯面積雖能降低導通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是商業(yè)品所不允許的。引入少數載流子導電雖能降低導通壓降，但付出的代價(jià)是開(kāi)關(guān)速度的降低并出現拖尾電流，開(kāi)關(guān)損耗增加，失去了MOSFET的高速的優(yōu)點(diǎn)。

以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區域和導電通道的高摻雜、低電阻率分開(kāi)解決。如除 導通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對導通電阻只能起增大作用外并無(wú)其他用途。這樣，是否可以將導電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現，而在MOSFET關(guān)斷時(shí)，設法使 這個(gè)通道以某種方式夾斷，使整個(gè)器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層。基于這種思想，1988年INFINEON推出內建橫向電場(chǎng)耐壓為600V的 COOLMOS，使這一想法得以實(shí)現。內建橫向電場(chǎng)的高壓MOSFET的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖5所示。

與常規MOSFET結構不同，內建橫向電場(chǎng)的MOSFET嵌入垂直P(pán)區將垂直導電區域的N區夾在中間，使MOSFET關(guān)斷時(shí)，垂直的P與N之間建立橫向電場(chǎng)，并且垂直導電區域的N摻雜濃度高于其外延區N-的摻雜濃度。

當VGS＜VTH時(shí)，由于被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導電溝道不能形成，并且D，S間加正電壓，使MOSFET內部PN結反偏形成耗盡層，并將垂直導電的N 區耗盡。這個(gè)耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖5（b）所示，這時(shí)器件的耐壓取決于P與N-的耐壓。因此N-的低摻雜、高電阻率是必需的。

圖5

當CGS＞VTH時(shí)，被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導電溝道形成。源極區的電子通過(guò)導電溝道進(jìn)入被耗盡的垂直的N區中和正電荷，從而恢復被耗盡的N型特性，因此導電溝道形成。由于垂直N區具有較低的電阻率，因而導通電阻較常規MOSFET將明顯降低。

通過(guò)以上分析可以看到：阻斷電壓與導通電阻分別在不同的功能區域。將阻斷電壓與導通電阻功能分開(kāi)，解決了阻斷電壓與導通電阻的矛盾，同時(shí)也將阻斷時(shí)的表面PN結轉化為掩埋PN結，在相同的N-摻雜濃度時(shí)，阻斷電壓還可進(jìn)一步提高。

mosfet主要參數

場(chǎng)效應管的參數很多，包括直流參數、交流參數和極限參數，但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數：

1、IDSS—飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應管中，柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。

2、UP—夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應管中，使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。

3、UT—開(kāi)啟電壓。是指增強型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導通時(shí)的柵極電壓。

4、gM—跨導。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量場(chǎng)效應管放大能力的重要參數。

5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在場(chǎng)效應管上的工作電壓必須小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場(chǎng)效應管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí)，場(chǎng)效應管實(shí)際功耗應小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源電流。是一項極限參數，是指場(chǎng)效應管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過(guò)的最大電流。場(chǎng)效應管的工作電流不應超過(guò)IDSM 。

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