一文详解-MOS管的半导体结构

KIA MOS管

一文详解-MOS管的半导体结构

MOS管基础

 

MOS管是金属 (metal) — 氧化物 (oxide) — 半导体 (semiconductor) 场效应晶体管，或者称是金属 — 绝缘体 (insulator) — 半导体。

 

MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能，这样的器件被认为是对称的。

 

双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比 (beta) 。另一种晶体管叫做场效应管 (FET) ，把输入电压的变化转化为输出电流的变化。

 

FET的增益等于它的transconductance， 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道，而P沟道常见的为低压MOS管。

 

场效应管通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体，所以FET管的GATE电流非常小。

 

最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体 (MOS) 晶体管，或金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET) 。

 

因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。

 

MOS 管作为半导体领域最基础的器件之一，无论是在IC 设计里，还是板级电路应用上，都十分广泛。

MOS管的半导体结构

作为半导体器件，它的来源还是最原始的材料，掺杂半导体形成的 P 和 N 型物质。

在半导体工艺里，如何制造 MOS 管的？

这是一个 NMOS 的结构简图，一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样，在一定的地基（衬底）上依据设计一步步“盖”起来。

MOS 管符号描述：

MOS管的工作机制

以增强型 MOS 管为例，简单来看下 MOS 管的工作原理。

由上图结构可以看到 MOS 管类似三极管，也是背靠背的两个PN结。

 

三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制CE之间的导通，MOS 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。

如上图，在开启电压不足时，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。

 

给栅极提供正向电压后，P区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。这样DS之间就导通了。

 

下图是一个简单的MOS管开启模拟：

这是MOS管电流Id随Vgs变化曲线，开启电压为1.65V。下图是MOS管的IDS和VGS与VDS 之间的特性曲线图，类似三极管。

从器件结构的角度看一下MOS管的开启全过程。

1、Vgs对MOS管的开启作用

一定范围内 Vgs>Vth，Vds<vgs-vth，vgs mos="" span=""></vgs-vth，vgs>

 

即：

Vgs为常数时，Vds上升，Id近似线性上升，表现为一种电阻特性。

Vds为常数时，Vgs上升，Id近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。

即曲线左边

2、Vds对MOS管沟道的控制

当Vgs>Vth，Vds<vgs-vth时，分析同上曲线左侧，电流id随vds上升而上升，为可变电阻区。< span=""></vgs-vth时，分析同上曲线左侧，电流id随vds上升而上升，为可变电阻区。<>

 

当Vds>Vgs-Vth后，可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断。

此时DS之间的电压都分布在靠近D端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度W减小导致的电阻增大抵消了Vds对Id的正向作用，因此导致电流Id几乎不再随Vds增加而变化。此时的D端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到S端。

这个区域为 MOS 管的恒流区，也叫饱和区，放大区。

但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 L 有变化，所以曲线稍微上翘一点。

 

重点备注：MOS管与三极管的工作区定义差别

三极管的饱和区：输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 变化。

MOS 管的饱和区：输出电流 Id 不随输出电压 Vds 变化。

 

3、击穿

Vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。

Vds 过大会导致D和衬底之间的反向PN结雪崩击穿，大电流直接流入衬底。

 

MOS管开关过程分析

如果要进一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到开启的全过程，必须建立一个完整的电路结构模型，引入寄生参数，如下图。

详细开启过程为：

t0~t1阶段：栅极电流对Cgs和Cgd充电，Vgs上升到开启电压Vgs(th)，此间，MOS没有开启，无电流通过，即MOS管的截止区。在这个阶段，显然Vd电压大于Vg，可以理解为电容 Cgd 上正下负。

t1~t2阶段：Vgs达到Vth后，MOS管开始逐渐开启至满载电流值Io，出现电流Ids，Ids与Vgs呈线性关系，这个阶段是MOS管的可变电阻区，或者叫线性区。

t2~t3阶段：在MOS完全开启达到电流Io后，栅极电流被完全转移到Ids中，导致Vgs保持不变，出现米勒平台。在米勒平台区域，处于MOS管的饱和区，或者叫放大区。

 

在这一区域内，因为米勒效应，等效输入电容变为（1+K）Cgd。

米勒效应如何产生的：

在放大区的 MOS管，米勒电容跨接在输入和输出之间，为负反馈作用。

 

具体反馈过程为：Vgs增大>mos开启后Vds开始下降>因为米勒电容反馈导致Vgs也会通过Cgd放电下降。这个时候，因为有外部栅极驱动电流，所以才会保持了Vgs不变，而Vds还在下降。

t3~t4阶段：渡过米勒平台后，即Cgd反向充电达到Vgs，Vgs继续升高至最终电压，这个电压值决定的是MOS管的开启阻抗Ron大小。

通过仿真看下具体过程：

由上面的分析可以看出米勒平台是有害的，造成开启延时，不能快速进入可变电阻区，导致损耗严重，但是这个效应又是无法避免的。

 

目前减小 MOS 管米勒效应的几种措施：

a：提高驱动电压或者减小驱动电阻，目的是增大驱动电流，快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题。

b:ZVS 零电压开关技术是可以消除米勒效应的，即在 Vds 为 0 时开启沟道，在大功率应用时较多。

 

c:栅极负电压驱动，增加设计成本。

d: 有源米勒钳位。即在栅极增加三极管，关断时拉低栅极电压。

MOS管的优势

可应用于放大，由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换，常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

可以用作可变电阻。

可以方便地用作恒流源。

可以用作电子开关。

在电路设计上的灵活性大，栅偏压可正可负可零，三极管只能在正向偏置下工作，电子管只能在负偏压下工作；另外输入阻抗高，可以减轻信号源负载，易于跟前级匹配。

MOS管的应用领域

工业领域、步进马达驱动、电钻工具、工业开关电源；

新能源领域、光伏逆变、充电桩、无人机；

交通运输领域、车载逆变器、汽车HID安定器、电动自行车；

绿色照明领域、CCFL节能灯、LED照明电源、金卤灯镇流器。

 

原文始发于微信公众号（KIA半导体）：一文详解-MOS管的半导体结构