MOSFET

[ 浏览次数:约616次 ] 发布日期:2016-11-08

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)。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,其他简称尚包括NMOS、PMOS等。

MOSFET


目录
工作原理
结构
主要参数
应用优势
型号命名方法
常见的MOSFET技术
MOSFET的栅极材料


工作原理


要使增强型N沟道MOSFET工作,要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图1所示。

MOSFET工作原理1

若先不接VGS(即VGS=0),在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之间的PN结处于反向,因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板,而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时,在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷,而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反,所以称为“反型层”,这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时,感应出来的负电荷较少,它将被P型衬底中的空穴中和,因此在这种情况时,漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时,其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道,这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压),用符号VT表示(一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大,负电荷增加,导电沟道扩大,电阻降低,ID也随之增加,并且呈较好线性关系,如图2所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为,改变VGS来控制漏源之间的电阻,达到控制ID的作用。

MOSFET工作原理2

由于这种结构在VGS=0时,ID=0,称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET,在VGS=0时也有一定的ID(称为IDSS),这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图3所示,它的转移特性如图4所示。VP为夹断电压(ID=0)。

MOSFET工作原理3

MOSFET工作原理4

耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子,使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷,即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道,所以在VGS=0时,有VDS作用时也有一定的ID(IDSS);当VGS有电压时(可以是正电压或负电压),改变感应的负电荷数量,从而改变ID的大小。VP为ID=0时的-VGS,称为夹断电压。


结构


图1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。

从图1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。

图中是常见的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。

结构

主要参数


场效应管的参数很多,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场效应管中,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场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。

  3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。

  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是衡量场效应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,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数,加在场效应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,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

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


应用优势


1、场效应晶体管是电压控制元件,而双极结型晶体管是电流控制元件。在只允许从取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用双极晶体管。

2、有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比双极晶体管好。

3、场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而双极结型晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电。因此被称之为双极型器件。

4、场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

MOSFET在1960年由贝尔实验室(Bell Lab.)的D. Kahng和 Martin Atalla首次实作成功,这种元件的操作原理和1947年萧克莱(William Shockley)等人发明的双载流子结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)截然不同,且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势,在大型集成电路(Large-Scale Integrated Circuits,LSI)或是超大型集成电路(Very Large-Scale Integrated Circuits,VLSI)的领域里,重要性远超过BJT。

由于MOSFET元件的性能逐渐提升,除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位信号处理的场合上,也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用MOSFET来实现,以下分别介绍这些应用。

应用优势

应用优势2


数字电路

数字科技的进步,如微处理器运算效能不断提升,带给深入研发新一代MOSFET更多的动力,这也使得MOSFET本身的操作速度越来越快,几乎成为各种半导体主动元件中最快的一种。MOSFET在数字信号处理上最主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明,这种结构最大的好处是理论上不会有静态的功率损耗,只有在逻辑门(logic gate)的切换动作时才有电流通过。CMOS逻辑门最基本的成员是CMOS反相器(inverter),而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样,在逻辑转换的瞬间同一时间内必定只有一种晶体管(NMOS或是PMOS)处在导通的状态下,另一种必定是截止状态,这使得从电源端到接地端不会有直接导通的路径,大量节省了电流或功率的消耗,也降低了集成电路的发热量。

MOSFET在数字电路上应用的另外一大优势是对直流(DC)信号而言,MOSFET的栅极端阻抗为无限大(等效于开路),也就是理论上不会有电流从MOSFET的栅极端流向电路里的接地点,而是完全由电压控制栅极的形式。这让MOSFET和他们最主要的竞争对手BJT相较之下更为省电,而且也更易于驱动。在CMOS逻辑电路里,除了负责驱动芯片外负载(off-chip load)的驱动器(driver)外,每一级的逻辑门都只要面对同样是MOSFET的栅极,如此一来较不需考虑逻辑门本身的驱动力。相较之下,BJT的逻辑电路(例如最常见的TTL)就没有这些优势。MOSFET的栅极输入电阻无限大对于电路设计工程师而言亦有其他优点,例如较不需考虑逻辑门输出端的负载效应(loading effect)。


模拟电路

有一段时间,MOSFET并非模拟电路设计工程师的首选,因为模拟电路设计重视的性能参数,如晶体管的转导(transconductance)或是电流的驱动力上,MOSFET不如BJT来得适合模拟电路的需求。但是随著MOSFET技术的不断演进,今日的CMOS技术也已经可以符合很多模拟电路的规格需求。再加上MOSFET因为结构的关系,没有BJT的一些致命缺点,如热破坏(thermal runaway)。另外,MOSFET在线性区的压控电阻特性亦可在集成电路里用来取代传统的多晶硅电阻(poly resistor),或是MOS电容本身可以用来取代常用的多晶硅—绝缘体—多晶硅电容(PIP capacitor),甚至在适当的电路控制下可以表现出电感(inductor)的特性,这些好处都是BJT很难提供的。也就是说,MOSFET除了扮演原本晶体管的角色外,也可以用来作为模拟电路中大量使用的被动元件(passive device)。这样的优点让采用MOSFET实现模拟电路不但可以满足规格上的需求,还可以有效缩小芯片的面积,降低生产成本。

随著半导体制造技术的进步,对于整合更多功能至单一芯片的需求也跟著大幅提升,此时用MOSFET设计模拟电路的另外一个优点也随之浮现。为了减少在印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)上使用的集成电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积,很多原本独立的类比芯片与数位芯片被整合至同一个芯片内。MOSFET原本在数位集成电路上就有很大的竞争优势,在类比集成电路上也大量采用MOSFET之后,把这两种不同功能的电路整合起来的困难度也显著的下降。另外像是某些混合信号电路(Mixed-signal circuits),如类比/数位转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),也得以利用MOSFET技术设计出效能更好的产品。

还有一种整合MOSFET与BJT各自优点的制程技术:BiCMOS(Bipolar-CMOS)也越来越受欢迎。BJT元件在驱动大电流的能力上仍然比一般的CMOS优异,在可靠度方面也有一些优势,例如不容易被“静电放电”(ESD)破坏。所以很多同时需要复噪声号处理以及强大电流驱动能力的集成电路产品会使用BiCMOS技术来制作。



型号命名方法


中国命名法

有两种命名方法。场效应管通常有下列两种命名方法。

第一种命名方法是使用“中国半导体器件型号命名法”的第3、第4和第5部分来命名,其中的第3部分用字母CS表示场效应管,第4部分用阿拉伯数字表示器件序号,第5部分用汉语拼音字母表示规格号。例如CS2B、CS14A、CS45G等。

第二种命名方法与双极型三极管相同,第一位用数字代表电极数;第二位用字母代表极性(其中D是N沟道,C是P沟道);第三位用字母代表类型(其中J代表结型场效应管,O代表绝缘栅场效应管)。例如,3DJ6D是N沟道结型场效应三极管,3D06C是N沟道绝缘栅型场效应三极管。


日本命名法

日本生产的半导体分立器件,由五至七部分组成。通常只用到前五个部分,其各部分的符号意义如下:

  第一部分:用数字表示器件有效电极数目或类型。0-光电(即光敏)二极管三极管及上述器件的组合管、1-二极管、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或具有三个pn结的其他器件、┄┄依此类推。

  第二部分:日本电子工业协会JEIA注册标志。S-表示已在日本电子工业协会JEIA注册登记的半导体分立器件。

  第三部分:用字母表示器件使用材料极性和类型。A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控硅、G-N控制极可控硅、H-N基极单结晶体管、J-P沟道场效应管、K-N沟道场效应管、M-双向可控硅。

  第四部分:用数字表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号。两位以上的整数-从“11”开始,表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号;不同公司的性能相同的器件可以使用同一顺序号;数字越大,越是近期产品。

  第五部分:用字母表示同一型号的改进型产品标志。A、B、C、D、E、F表示这一器件是原型号产品的改进产品。

如2SK134为N沟道MOSFET,2SJ49为P沟道MOSFET。


常见的MOSFET技术


双栅极MOSFET

双栅极(dual-gate)MOSFET通常用在射频(Radio Frequency,RF)集成电路中,这种MOSFET的两个栅极都可以控制电流大小。在射频电路的应用上,双栅极MOSFET的第二个栅极大多数用来做增益、混频器或是频率转换的控制。

耗尽型MOSFET

一般而言,耗尽型(depletion mode)MOSFET比前述的增强型(enhancement mode)MOSFET少见。耗尽型MOSFET在制造过程中改变掺杂到通道的杂质浓度,使得这种MOSFET的栅极就算没有加电压,通道仍然存在。如果想要关闭通道,则必须在栅极施加负电压。耗尽型MOSFET最大的应用是在“常闭型”(normally-off)的开关,而相对的,加强式MOSFET则用在“常开型”(normally-on)的开关上。


NMOS逻辑

同样驱动能力的NMOS通常比PMOS所占用的面积小,因此如果只在逻辑门的设计上使用NMOS的话也能缩小芯片面积。不过NMOS逻辑虽然占的面积小,却无法像CMOS逻辑一样做到不消耗静态功率,因此在1980年代中期后已经渐渐退出市场。


功率MOSFET

功率晶体管单元的截面图。通常一个市售的功率晶体管都包含了数千个这样的单元。主条目:功率晶体管

功率MOSFET和前述的MOSFET元件在结构上就有著显著的差异。一般集成电路里的MOSFET都是平面式(planar)的结构,晶体管内的各端点都离芯片表面只有几个微米的距离。而所有的功率元件都是垂直式(vertical)的结构,让元件可以同时承受高电压与高电流的工作环境。一个功率MOSFET能耐受的电压是杂质掺杂浓度与N型磊晶层(epitaxial layer)厚度的函数,而能通过

的电流则和元件的通道宽度有关,通道越宽则能容纳越多电流。对于一个平面结构的MOSFET而言,能承受的电流以及崩溃电压的多寡都和其通道的长宽大小有关。对垂直结构的MOSFET来说,元件的面积和其能容纳的电流成大约成正比,磊晶层厚度则和其崩溃电压成正比。

常见的MOSFET技术


功率MOSFET的工作原理

截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。

导电:在栅源极间加正电压UGS,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面

当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时,栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结J1消失,漏极和源极导电。

值得一提的是采用平面式结构的功率MOSFET也并非不存在,这类元件主要用在高级的音响放大器中。平面式的功率MOSFET在饱和区的特性比垂直结构的MOSFET更好。垂直式功率MOSFET则取其导通电阻(turn-on resistance)非常小的优点,多半用来做开关切换之用。

常见的MOSFET技术2

DMOS

DMOS是双重扩散MOSFET(double-Diffused MOSFET)的缩写,它主要用于高压,属于高压MOS管范畴。

以MOSFET实现模拟开关

MOSFET在导通时的通道电阻低,而截止时的电阻近乎无限大,所以适合作为模拟信号的开关(信号的能量不会因为开关的电阻而损失太多)。MOSFET作为开关时,其源极与漏极的分别和其他的应用是不太相同的,因为信号可以从MOSFET栅极以外的任一端进出。对NMOS开关而言,电压最负的一端就是源极,PMOS则正好相反,电压最正的一端是源极。MOSFET开关能传输的信号会受到其栅极—源极、栅极—漏极,以及漏极到源极的电压限制,如果超过了电压的上限可能会导致MOSFET烧毁。

MOSFET开关的应用范围很广,举凡需要用到取样持有电路(sample-and-hold circuits)或是截波电路(chopper circuits)的设计,例如类比数位转换器(A/D converter)或是切换电容滤波器(switch-capacitor filter)上都可以见到MOSFET开关的踪影。


单一MOSFET开关

当NMOS用来做开关时,其基极接地,栅极为控制开关的端点。当栅极电压减去源极电压超过其导通的临界电压时,此开关的状态为导通。栅极电压继续升高,则NMOS能通过的电流就更大。NMOS做开关时操作在线性区,因为源极与漏极的电压在开关为导通时会趋向一致。

PMOS做开关时,其基极接至电路里电位最高的地方,通常是电源。栅极的电压比源极低、超过其临界电压时,PMOS开关会打开。

NMOS开关能容许通过的电压上限为(Vgate-Vthn),而PMOS开关则为(Vgate+Vthp),这个值通常不是信号原本的电压振幅,也就是说单一MOSFET开关会有让信号振幅变小、信号失真的缺点。


双重MOSFET(CMOS)开关

为了改善前述单一MOSFET开关造成信号失真的缺点,于是使用一个PMOS加上一个NMOS的CMOS开关成为目前最普遍的做法。CMOS开关将PMOS与NMOS的源极与漏极分别连接在一起,而基极的接法则和NMOS与PMOS的传统接法相同。当输入电压在(VDD-Vthn)和(VSS+Vthp)时,PMOS与NMOS都导通,而输入小于(VSS+Vthp)时,只有NMOS导通,输入大于(VDD-Vthn)时只有PMOS导通。这样做的好处是在大部分的输入电压下,PMOS与NMOS皆同时导通,如果任一边的导通电阻上升,则另一边的导通电阻就会下降,所以开关的电阻几乎可以保持定值,减少信号失真。



MOSFET的栅极材料


理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择电性良好的导体,多晶硅在经过重(读作zhong)掺杂之后的导电性可以用在MOSFET的栅极上,但是并非完美的选择。MOSFET使用多晶硅作为的理由如下:

⒈ MOSFET的临界电压(threshold voltage)主要由栅极与通道材料的功函数(work function)之间的差异来决定,而因为多晶硅本质上是半导体,所以可以藉由掺杂不同极性的杂质来改变其功函数。更重要的是,因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙(bandgap)相同,因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时可以藉由直接调整多晶硅的功函数来达成需求。反过来说,金属材料的功函数并不像半导体那么易于改变,如此一来要降低MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压,将需要两种不同的金属分别做其栅极材料,对于制程又是一个很大的变量。

⒉ 硅—二氧化硅接面经过多年的研究,已经证实这两种材料之间的缺陷(defect)是相对而言比较少的。反之,金属—绝缘体接面的缺陷多,容易在两者之间形成很多表面能阶,大为影响元件的特性。

⒊ 多晶硅的融点比大多数的金属高,而在现代的半导体制程中习惯在高温下沉积栅极材料以增进元件效能。金属的融点低,将会影响制程所能使用的温度上限。

不过多晶硅虽然在过去二十年是制造MOSFET栅极的标准,但也有若干缺点使得未来仍然有部份MOSFET可能使用金属栅极,这些缺点如下:

⒈ 多晶硅导电性不如金属,限制了信号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式改善其导电性,但成效仍然有限。有些融点比较高的金属材料如:钨(Tungsten)、钛(Titanium)、钴(Cobalt)或是镍(Nickel)被用来和多晶硅制成合金。这类混合材料通常称为金属硅化物(silicide)。加上了金属硅化物的多晶硅栅极有著比较好的导电特性,而且又能够耐受高温制程。此外因为金属硅化物的位置是在栅极表面,离通道区较远,所以也不会对MOSFET的临界电压造成太大影响。

在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自我对准金属硅化物制程”(Self-Aligned Silicide),通常简称salicide制程。

⒉ 当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时,例如编辑此文时最新制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度,一种过去没有发现的现象也随之产生,这种现象称为“多晶硅耗尽”。当MOSFET的反转层形成时,有多晶硅耗尽现象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处,会出现一个耗尽层(depletion layer),影响MOSFET导通的特性。要解决这种问题,金属栅极是最好的方案。可行的材料包括钽(Tantalum)、钨、氮化钽(Tantalum Nitride),或是氮化钛(Titalium Nitride)。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化,称为FUSI(FUlly-SIlicide polysilicon gate)制程。



标签:MOSFET

相关资讯