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搞懂MOS管半导体结构及如何制造详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2020-04-26 

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搞懂MOS管半导体结构及如何制造详解

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管一般是金属(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(源极)和drain(耗尽层)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。


MOS管目前尤其在大功率半导体领域,各种结构的 MOS 管更是发挥着不可替代的作用。作为一个基础器件,往往集简单与复杂与一身,简单在于它的结构,复杂在于基于应用的深入考量。


MOS管元器件半导体结构详解

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。


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那么,在半导体工艺里,如何制造MOS管的?


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这就是一个 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。


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MOS 管的符号描述如下:


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MOS管的工作机制

以增强型 MOS 管为例,我们先简单来看下 MOS 管的工作原理。


由上图结构我们可以看到 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。


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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:


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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。


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下面我们先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


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一定范围内Vgs>Vth,Vds

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


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2、Vds对MOS管沟道的控制


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当Vgs>Vth,Vds

当Vds>Vgs-Vth后,我们可以看到因为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,右沟道被完全夹断了!


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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!


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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。


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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。


三、 MOS管的开关过程分析

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。


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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。


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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。


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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。


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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。


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我们可以通过仿真看下具体过程:


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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。


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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。


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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。


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