MOSFET教程

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MOS簡介
MOS特徵
MOS在開關電路中的應用與計算MOS簡介
MOS的歷史來源
MOS的優點
MOS的分類MOS
MOS的結構
MOS的基本參數MOSFET的歷史來源很久以前，我們只知道如何利用二極管來實現開關，但是，我們只能對其進行開關操作，而不能逐漸控制信號流。此外，二極管作為開關取決于信號流的方向，我們不能對其編程以通過或屏蔽一個信號。直到1947年發明了三極管，它就像一個控制發射機電流流動的“龍頭”—控制龍頭的“手”就是基極電流。雙極型三極管因此是電流控制型的器件。之後不久一對杰出的父子發明了FET，FET的三個電極分別被稱為漏極、柵極和源極。FET主要有兩個變種，它們針對不同類型的應用做了最大優化：JFET被用於小信號處理，而MOSFET主要用於線性或開關電源中。MOSFET的優點三極管用于功率應用電路中時，有很多局限性，雖然在一些電器中仍能采用雙極型三極管，但是它們的用途實際上被限制到小於10KHZ的電路，並且在整體效率成為關鍵參數的技術前沿應用中，它們已基本全部退出。BJT是少數載流子器件，而所有少數載流子器件相關的存儲電荷問題限制了最大工作速度，而MOSFET的主要優勢是作為多數載流子限制了最大工作速度，而MOSFET的主要優勢是作為多數載流子器件，不存在少數载流子存儲電荷問題，因此，其工作頻率要高的多，MOSFET的開關延遲特性完全是因為寄生電容的充放電。由於器件在開關狀態的持續時間內既有大電流又有高電壓，器件工作速度快，其損耗的能量就較少，僅這一個優勢就能彌補高壓MOSFET存在的導通損耗稍高的問題。雙極型三極管受電流驅動，因為增益隨集電極電流的增加而大幅度降低，我們要驅動的電流越大，則我們需要提供的電流也越大，在高溫的情況下會加重，需要更大的電流，這不但使三極管消耗大量的功率，還會使其需要能夠快速泵出和吸收電流的相當複雜的基極驅動電路，相比之下，MOSFET在柵極實際上消耗的電流基本為零，甚至在1250C的典型柵極電流都小於100nA。一旦寄生電容被充電，由驅動電路提供的電流就非常低，其驅動電路也極為簡單。MOSFET另外一個優點是不存在二次損壞機制，具有比較寬的SOA，而由於BJT導通電阻是負溫度係數，高溫下會流入更多的電流，最而由於BJT導通電阻是負溫度係數，高溫下會流入更多的電流，最終出現不可逆轉的破壞，而MOSFET能夠應用于一段短時間內的大電流和高電壓，這就避免了二次擊穿對器件超成的破壞，同時，MOSFET導通電阻具有正的溫度係數，比BJT相比，更容易并聯使用。MOSFET內部寄生的二極管使其在電感負載開關應用中，不需要增加額外的成本就能起到箝位二極管的作用。MOS的分類
MOSFET分为两种类型：耗尽型和增强型。a、耗尽型：这种MOS是，即使gate与source间的电压为0，只要在drain与source间加上电压，就会有Id形成。b、增强型：如下图，这种MOS没有原始导电沟道，必须通过在gate与source加电压才形成。Ids随着Vg的增加而增加。当gate端不加电压时，Ids为0。MOS的结构
横向通道型：指Drain、Gate、Source的终端均在硅晶圆的表面，这样有利于集成，但是很难获得很高的额定功率。这是因为Source与Drain间的距离必须足够大以保证有较高的耐压值。
垂直通道型：指Drain和Source的终端置在晶圆的相对Source面，这样设计Source的应用空间会更多。当Source与Drain间的距离减小，额定的Ids就会增加，同时也会增加额定电压值。垂直通道型又可分为：VMOS、DMOS、UMOS.a、VMOS：如图，在gate区有一个V型凹槽，这种设计会有制造上的稳定问题，同时，在V型槽的尖端也会产生很高的电场，因此VMOS元件的结构逐渐被DMOS元件的结构所取代。b、DMOS：MOSFET制程
垂直式双扩散金属氧化物场效应管（VDMOSFET）制程流程
在这个结构中，P型基体（P-Well）和源极区是利用同一窗口扩散而成，此结构的通道栅极氧化层的下方。
首先沉积n-晶层在基座上，此基座为元件的漏极。之后以EPI光罩定义EPI区的范围，再成长一层栅极氧化层（gateoxide），再沉积一层复晶矽（polysilicon）（gate），并掺杂离子降低电阻。
使用光罩定义出衬底P-Well区范围，利用硼（boron）元素进行离子布植形成p-body区，并进行适当的控制浓度、能量，以达到所需的临界电压及各项电性。接着使用高温长时间加热对硼作注入和退火动作，形成P-Well
使用源极光罩定义出元件的源极区域，利用砷（arsenic）元素进行离子布植如上图。
沉积BPSG作为栅极和源极的绝缘层，使用接触光罩（contactmask）定义出元件的接触窗口。
布植高浓度硼元素形成重掺杂的P+区域
以铝金属沉积作为接线。
如上图的红框区域。c、UMOS：在gate区有一个U型槽。与VMOS和DMOS相比，这种设计会有很高的通道浓度，进而可以减小导通电阻。UMOSFET的制程
UMOSFET一种新结构的MOS器件，它的制程与DMOSFET最大的区别在栅极区的形成和蚀刻技术上。UMOSFET的栅极借由反应离子蚀刻来形成。成。
.一种形成自准直的双氧化物UMOSFET的方法，包括以下步骤：在衬底中刻蚀一个沟槽；通过注入多能级的沟道掺杂物在沟槽中产生一个门，以及形成一个源和一个漏极。
如图提供一个衬底12，对衬底进行蚀刻而形成每个约深4um的沟槽20a,20b和衬底台面14a,14b,14c，然后在每个沟槽的侧壁、底面和衬底台面的已蚀刻的衬底上沉积一个厚绝缘层30，其后，在厚绝缘层30上均匀地沉积一个后继的氮化硅层40，从而形成如图所示的沟槽。
沟道掺杂物（比如硼）沿α角度注入，并达到预计的深度
利用湿蚀刻技术除去厚绝缘层30和氮化硅层40
在沟道掺杂区55a,55b,55c并置的表面上生成栅极氧化层50，这些表面包括衬底的台面14a,14b,14c的顶部和沟槽的侧壁从上部到深度D的部分。
源极形成，涂敷金属，连接电极。三种三种三种三种MOS的优缺点的优缺点的优缺点的优缺点：：：：
VMOSFET：（优点）导通阻抗较小，没有JFET效应，且Cgd最小，有最快的开关响应速度。（缺点）V型底部尖端，容易造成高电场的过度聚集而导致击穿，且沟槽蚀刻过程不稳定会造成临界电压不稳。
DMOSFET：（优点）制程稳定简单，p-body和源极区可利用相同的窗口扩散来获得，成本小。（缺点）导通阻抗大，有JFET效应。且由于p-n界面转角处电力线集中，易发生雪崩击穿。
UMOSFET：（优点）有效缩小了元件宽度，即增加元件密度，提高单位面积的电流，使导通阻抗降低，不会产生JFET效应。（缺点）制程复杂，成本大，正处于研究阶段。MOS的基本参数
VGS（th）：又称为阈值电压，是指加的栅源电压能使漏极开始有电流或者关断MOSFET时停止流过电流时的电压，栅一源电压超过此值时，漏极电流由小到大显著增加。VGS(th)是负温度系数，这就意味着当温度上升时，MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。VGS(th)与gateoxide的厚度成正比，与P-body掺杂浓GS(th)度的平方成正比。
BVDSS：是指在特定的温度和栅源短接情况下，流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。当漏一源电压VDS超过BVDSS时，漏一源极之间雪崩效应电流激增。BVDSS为正愠度系数，结温每升高10℃，BVDSS约增大1％。
RDS（on）:是指MOS在完全导通状态时，漏源间的总电阻。他是影响最大额定电流和功耗的主要参数。RN+：是指source与N+间的电阻，与组成RDS(on)的其他电阻相比很小，所以，在高压MOS时可以忽略。SDACHDSRRRRRRR+++++=+j)on(RCH：是指通道电阻，在低压MOS时，是RDS（on）的主要组成部分。受通道宽度和长度、gateoxide厚度、gate驱动电压的影响。可以通过降低原胞面积来大幅度降低其阻值。RA：当在gate端加驱动电压时，电荷在N-的上表面积累，在通道与JFET区之间形成电流。这个积累区的电阻就是RA。RA受积累区的电荷和表面自由电子的转移速率影响。随栅极电压增加而增加，可以增加其掺杂浓度以降低阻值。R：N-区域和两个P-body区域构成JFET，JFET沟道即中间N-区域RJ：N-区域和两个P-body区域构成JFET，JFET沟道即中间N-区域的电阻就称为RJ。RD：漂移层电阻，JFET区域下方N-区域的电阻。在高压MOS时，是构成RDS（on）的主要因素。RD也是限制MOS在高压领域使用的主要因素RS：指的是整个底层的电阻。在高压MOS时可以忽略，但是，在低压MOS时，当击穿电压小于50V时，它就是构成RDS（on）的一个主要因素。
Qg：是指特定栅极电压下MOS完全导通时输入电容的总电量。直接影响着MOS的开关速度，开关损耗在频率提高时占据了主要位置，降低Qg，可有效降低开关损耗。降低Qg有三种方法：增加氧化层厚度；降低沟道区的掺杂浓度；减少栅极面积
IDSS：零栅压漏极电流，是指栅源电压为零时，在特定的漏源电压下漏源之间泄露电流，泄漏电流随着温度的增加而增大，IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算，通常这部分功耗可以忽略不计。MOS的特征
寄生三极管：MOS内部N+区，P-body区，N-区构成寄生三极管，当BJT开启时击穿电压由BVCBO变成BVCEO（只有BVCBO的50%到60%），这种情况下，当漏极电压超过BVCEO时，MOS雪崩击穿，如果没有外部的漏极电流限制，MOS将被二次击穿破坏，所以，要镀一层金属来短接N+区和P-body区，以防止寄生短接N+区和P-body区，以防止寄生BJT的开启。
输出特性：如图所示，在不同Vgs条件下，Id随着Vds变化而变化。可以分为欧姆区、饱和区、截止区。
转移特性：如图所示，为MOS的转移特性曲线。Id与Vgs的关系为：LWCKVVKIOX2)-(n2thgsgsdμ==）（其中，μn：载流子的转移速率；Cox：单位面积gate-oxide的电容，Cox=εox/toxεox：二氧化硅的电解质常数tox：gate氧化层的厚度W：通道宽度L：通道长度根据上述公式得到的曲线，在PowerMOSFET中，只有当Id很小的时候是正确的。这是因为载流子的转移速率不是常数，它随着反型层内由于电流增加而引起的导电区域的增加而降低。
MOS在off/on状态时的特性：a、offstate：在这种状态下，drain与source间能存在的最大电压，即为击穿电压——BVDSS。它是指gate与source被shorted时，在body-drainpnjunction没有发生雪崩击穿的情况下，MOS可以承受的最大电压，它受温度的影响很小。受的最大电压，它受温度的影响很小。b、Turn-onstate：耗尽层的形成耗尽层的形成耗尽层的形成耗尽层的形成：当在gate-to-source加一个很小的正电压时，在gate电极端会感应出正电荷，在氧化硅表面（gate氧化层底部的p-body区）感应出负电荷，空穴在电场的作用下向下移动。所以，耗尽层就由负电荷组成如下图所示:反形层的形成反形层的形成反形层的形成反形层的形成：当gate-to-source端的电压增加时，耗尽层开始向着body的方向变宽，如下两幅图。由于热电离的作用而产生的自由电子就会在表面聚集，剩下的空穴进入到半导体中。没有进入到半导体中的空穴就被电子中和。如果外加电压一直增加，body处的空穴和表层的自由电子的浓度就会达到平衡。此时的自由电子层就是反形层，形成反形层时的gate-to-source电压即为MOS的阈值电压VGS(th)。c、onstate：此状态中，当Vgs恒定时，Id