搞懂MOS管半導體結構及如何制造詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-04-26
MOS管作為半導體領域最基礎的器件之一，無論是在IC 設計里，還是板級電路應用上，都十分廣泛。
MOS管一般是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source（源極）和drain（耗盡層）是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
MOS管目前尤其在大功率半導體領域，各種結構的 MOS 管更是發(fā)揮著不可替代的作用。作為一個基礎器件，往往集簡單與復雜與一身，簡單在于它的結構，復雜在于基于應用的深入考量。
作為半導體器件，它的來源還是最原始的材料，摻雜半導體形成的P和N型物質。
那么，在半導體工藝里，如何制造MOS管的？
這就是一個 NMOS 的結構簡圖，一個看起來很簡單的三端元器件。具體的制造過程就像搭建積木一樣，在一定的地基（襯底）上依據設計一步步“蓋”起來。
MOS 管的符號描述如下：
以增強型 MOS 管為例，我們先簡單來看下 MOS 管的工作原理。
由上圖結構我們可以看到 MOS 管類似三極管，也是背靠背的兩個PN結！三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區(qū)通過電子-空穴復合來控制CE之間的導通，MOS 管則利用電場來在柵極形成載流子溝道來溝通DS之間。
如上圖，在開啟電壓不足時，N區(qū)和襯底P之間因為載流子的自然復合會形成一個中性的耗盡區(qū)。
給柵極提供正向電壓后，P區(qū)的少子（電子）會在電場的作用下聚集到柵極氧化硅下，最后會形成一個以電子為多子的區(qū)域，叫反型層，稱為反型因為是在P型襯底區(qū)形成了一個N型溝道區(qū)。這樣DS之間就導通了。
下圖是一個簡單的MOS管開啟模擬：
這是MOS管電流Id隨Vgs變化曲線，開啟電壓為1.65V。下圖是MOS管的IDS和VGS與VDS 之間的特性曲線圖，類似三極管。
下面我們先從器件結構的角度看一下MOS管的開啟全過程。
1、Vgs對MOS管的開啟作用
一定范圍內Vgs>Vth，Vds
Vgs為常數(shù)時，Vds上升，Id近似線性上升，表現(xiàn)為一種電阻特性。
Vds為常數(shù)時，Vgs上升，Id近似線性上升，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。
即曲線左邊
2、Vds對MOS管溝道的控制
當Vgs>Vth，Vds
當Vds>Vgs-Vth后，我們可以看到因為DS之間的電場開始導致右側的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開始變緩慢。當Vds增大一定程度后，右溝道被完全夾斷了！
此時DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區(qū)，夾斷區(qū)的增大即溝道寬度W減小導致的電阻增大抵消了Vds對Id的正向作用，因此導致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時的D端載流子是在強電場的作用下掃過耗盡區(qū)達到S端！
這個區(qū)域為MOS管的恒流區(qū)，也叫飽和區(qū)，放大區(qū)。
但是因為有溝道調制效應導致溝道長度 L 有變化，所以曲線稍微上翹一點。
重點備注：MOS管與三極管的工作區(qū)定義差別
三極管的飽和區(qū)：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。
MOS管的飽和區(qū)：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。
3、擊穿
Vgs 過大會導致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。
Vds 過大會導致D和襯底之間的反向PN結雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。
三、 MOS管的開關過程分析
如果要進一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到開啟的全過程，必須建立一個完整的電路結構模型，引入寄生參數(shù)，如下圖。
t0~t1階段：柵極電流對Cgs和Cgd充電，Vgs上升到開啟電壓Vgs(th)，此間，MOS沒有開啟，無電流通過，即MOS管的截止區(qū)。在這個階段，顯然Vd電壓大于Vg，可以理解為電容 Cgd 上正下負。
t1~t2階段：Vgs達到Vth后，MOS管開始逐漸開啟至滿載電流值Io，出現(xiàn)電流Ids，Ids與Vgs呈線性關系，這個階段是MOS管的可變電阻區(qū)，或者叫線性區(qū)。
t2~t3階段：在MOS完全開啟達到電流Io后，柵極電流被完全轉移到Ids中，導致Vgs保持不變，出現(xiàn)米勒平臺。在米勒平臺區(qū)域，處于MOS管的飽和區(qū)，或者叫放大區(qū)。
在這一區(qū)域內，因為米勒效應，等效輸入電容變?yōu)椋?+K）Cgd。
米勒效應如何產生的：
在放大區(qū)的 MOS管，米勒電容跨接在輸入和輸出之間，為負反饋作用。具體反饋過程為：Vgs增大>mos開啟后Vds開始下降>因為米勒電容反饋導致Vgs也會通過Cgd放電下降。這個時候，因為有外部柵極驅動電流，所以才會保持了Vgs不變，而Vds還在下降。
t3-t4階段：渡過米勒平臺后，即Cgd反向充電達到Vgs，Vgs繼續(xù)升高至最終電壓，這個電壓值決定的是MOS管的開啟阻抗Ron大小。
我們可以通過仿真看下具體過程：
由上面的分析可以看出米勒平臺是有害的，造成開啟延時，不能快速進入可變電阻區(qū)，導致?lián)p耗嚴重，但是這個效應又是無法避免的。
目前減小 MOS 管米勒效應的幾種措施：
a：提高驅動電壓或者減小驅動電阻，目的是增大驅動電流，快速充電。但是可能因為寄生電感帶來震蕩問題。
b:ZVS 零電壓開關技術是可以消除米勒效應的，即在 Vds 為 0 時開啟溝道，在大功率應用時較多。
c:柵極負電壓驅動，增加設計成本。
d: 有源米勒鉗位。即在柵極增加三極管，關斷時拉低柵極電壓。
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