mosfet特性等知識（圖文解析）-降低高壓MOS導通電阻原理與方法

mosfet特性（圖文解析）-細說mosfet結構及參數知識

mosfet

mosfet特性詳解，mosfet是金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。 [1]  MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称上包括NMOS、PMOS等。

圖1

mosfet結構詳解

圖2

圖2是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S（源极）及D（漏极），如图所示。

从圖2中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。

圖2是常见的N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。虽然有不同的结构，但其工作原理是相同的，这里就不一一介绍了。

mosfet特性詳解

講完什麽是mosfet及mosfet結構之後歐，我們現在來看看mosfet特性。

1、mosfet特性-靜態特性；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的關系稱爲MOSFET的轉移特性，ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義爲跨導Gfs。

mosfet特性，MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力 MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

2、mosfet特性-動態特性；其測試電路和開關過程波形如圖4所示

圖4

开通过程；开通延迟时间td(on) —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段；

上升时间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；

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

開通時間ton—開通延遲時間與上升時間之和。

关断延迟时间td(off) —up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。

下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS

關斷時間toff—關斷延遲時間和下降時間之和。

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

不同耐压的MOSFET，其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同。如耐压30V的MOSFET，其外延层电阻仅为 总导通电阻的29%，耐压600V的MOSFET的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。由此可以推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外 延层电阻占据。欲获得高阻断电压，就必须采用高电阻率的外延层，并增厚。这就是常规高压MOSFET结构所导致的高导通电阻的根本原因。

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是商業品所不允許的。引入少數載流子導電雖能降低導通壓降，但付出的代價是開關速度的降低並出現拖尾電流，開關損耗增加，失去了MOSFET的高速的優點。

以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻，所剩的思路就是如何将阻断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高掺杂、低电阻率分开解决。如除 导通时低掺杂的高耐压外延层对导通电阻只能起增大作用外并无其他用途。这样，是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现，而在MOSFET关断时，设法使 这个通道以某种方式夹断，使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N-外延层。基于这种思想，1988年INFINEON推出内建横向电场耐压为600V的 COOLMOS，使这一想法得以实现。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如圖5所示。

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

当VGS＜VTH时，由于被电场反型而产生的N型导电沟道不能形成，并且D，S间加正电压，使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层，并将垂直导电的N 区耗尽。这个耗尽层具有纵向高阻断电压，如圖5（b）所示，这时器件的耐压取决于P与N-的耐压。因此N-的低掺杂、高电阻率是必需的。

圖5

當CGS＞VTH時，被電場反型而産生的N型導電溝道形成。源極區的電子通過導電溝道進入被耗盡的垂直的N區中和正電荷，從而恢複被耗盡的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，解決了阻斷電壓與導通電阻的矛盾，同時也將阻斷時的表面PN結轉化爲掩埋PN結，在相同的N-摻雜濃度時，阻斷電壓還可進一步提高。

mosfet主要參數

場效應管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：

1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅場效應管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。

2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅場效應管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。

3、UT—開啓電壓。是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導通時的柵極電壓。

4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量場效應管放大能力的重要参数。

5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时，場效應管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在場效應管上的工作电压必须小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数，是指場效應管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，場效應管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数，是指場效應管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。場效應管的工作电流不应超过IDSM 。