mosfet特性等知識(圖文解析)-降低高壓MOS導通電阻原理及方法

mosfet

mosfet特性詳解，mosfet是金屬-氧化物半導體場效應晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（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” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱上包括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孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內做成三個電極：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PN結。

圖2是常見的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、提高開關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的關系稱為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工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。

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

開通過程；開通延遲時間td(on) —up前沿時刻到uGS=UT并開始出現iD的時刻間的時間段；

上升時間tr— uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區的柵壓UGSP的時間段；

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后，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。

關斷延遲時間td(off) —up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數曲線下降到UGSP時，iD開始減小為零的時間段。

下降時間tf— uGS從UGSP繼續下降起，iD減小，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并出現拖尾電流，開關損耗增加，失去了MOSFET的高速的優點。

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、低電阻率分開解決。如除 導通時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現，而在MOSFET關斷時，設法使 這個通道以某種方式夾斷，使整個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推出內建橫向電場耐壓為600V的 COOLMOS，使這一想法得以實現。內建橫向電場的高壓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，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，由于被電場反型而產生的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。這個耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖5（b）所示，這時器件的耐壓取決于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，被電場反型而產生的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結轉化為掩埋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，但一般使用時關注以下主要參數：

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

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

3、UT—開啟電壓。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，場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，是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量。

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

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