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1、目錄?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
2、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
3、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。 MOS
4、FET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
5、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 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
6、 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（ gate oxide），再沉积一层复
7、晶矽（poly silicon）（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（ contact mask）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。
8、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
9、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
10、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
11、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gate oxide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
12、 阻相比很小，所以，在高压MOS时可以忽略。SDACH?DSRRRRRRR+=+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、gate oxide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-b
13、ody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?ID
14、SS：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，
15、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)-(n2 thgsgsd=）（其中，n：载流子的转移速率； Cox：单位面积gate-oxide的电容， Cox=ox / tox ox：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Power MOSFET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
16、电区域的增加而降 低。?MOS在off / on状态时的特性： a、off state： 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- drain pn junction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-on state： 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
