MOSFET工作原理与应用

工程硕士论文1摘要本文从MOSFET的物理结构开始，来深入剖析MOSFET的工作原理，接下来举例说明MOSFET的应用线路，常见的失效模型以及如何做改善防止类似事件再次发生。可以帮助设计应用工程师在研发阶段对MOSFET的选用有更加深入的了解，需要注意些什么，防止设计时物料选用错误，造成后期制造时品质异常频频发生。常见的失效模型，也可以让工厂段的工程师对MOSFET在工厂的失效有一个清晰的概念，当MOSFET在工厂组装测试失效的时候，可以知道从什么地方下手去做相关的失效分析，不至于无处着手，以至于错了方向，浪费大量的时间去做实验。节省人力成本，试验成本。更加重要的是，找到失效的真正的原因，并采取相应的围堵措施，改善措施，保证客户产品能够低风险并准时出货。关键词：MOSFET,物理结构，工作原理，应用线路，失效模式工程硕士论文2內容第一章MOSFET简介------------------------------------4第二章开关特性和工作原理-----------------------------5～7第三章物理结构及生产工艺-----------------------------8～9第四章常见应用及举例说明----------------------------10～13第五章失效模式及改善--------------------------------14～20第六章总结------------------------------------------21工程硕士论文3第一章MOSFET简介MOSFET是英文MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）场效应晶体管。从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会给人得到错误的印象。因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期MOSFET的栅极（gateelectrode）使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。今日半导体元件的材料通常以硅（silicon）为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germaniumprocess,SiGeprocess）。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（galliumarsenide,GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造MOSFET元件。MOS场效应管从沟道类型上看，有N沟道（Channel）和P沟道之分，从工作方式上又分为增强型（EnhancementMOS，或EMOS）和耗尽型（DepletionMOS,或DMOS）两类，于是就有了四种MOSFET：①增强型N沟道MOS（E-NMOSFET）；②耗尽型N沟道MOS（D-NMOSFET）；③增强型P沟道MOS（E-PMOSFET）；④耗尽型P沟道MOS（D-PMOSFET）工程硕士论文4第二章开关特性和工作原理一：MOSFET电路符号及开关特性MOSFET可建模成一个处于OPEN或CLOSED状态的简单的开关；它的动作与接通和关闭房间内的电灯开关非常类似，除了它是用逻辑信号控制电子对应物这一点不同外！图1NMOS图2PMOS上图表示的是NMOS和PMOS的电路符号。图1这种特殊的器件称为n沟道MOSFET，或简称为nFET，因为它依靠负电荷来产生电流的。该器件有三个端口，分别标为栅极(gate)，漏极(drain)，和源极(source)。注意栅极被指定为“控制”电极。本质上，加到栅极的电压决定了是否有电流从漏极流到源极。换句话说，符号中所示的电流I的值是由加到栅极的电压值决定的。栅极指定为控制端是理解将晶体管操作看作逻辑开关的关键。图3电流流经nFETnFET的电气操作由图3来归纳。用电子学术语来说，就是加于栅极和源极的电压VGS控制了FET的操作。对于我们希望达到的目的，我们只要考虑电压VGS的两个值。在图3a中，栅极到源极之间所加的电压为VGS=0v。这将导致漏极和源极之间流经的电流为零(I=0)，此时晶体管的状态称之为关断(cutoff)；物理上，I=0等效于两个端点之间没有连接。作为选择，我们可将晶体管状态简称为OFF。另一方面，如果栅极到源极的电压设置为高值VGS=VDD,电流I就可以流动，它从漏极进入并从源极流出。当有电流在两个端点之间流动时，两个端点在电气上是相连接的。这可由图3b来表示。在此情形下，晶体管被说成是激活的(ACTIVE)或ON。虽然仅仅使用nFET来构造逻辑电路是可行的，但CMOS设计也依赖于工程硕士论文5另外一种晶体管，“互补”MOSFET，它采用正电荷来形成电流。这个第二种晶体管称为p沟道MOSFET，或简称为pFET，它是nFET在电气和逻辑上的补码。其确切的含义是什么呢？所有的电压极性(+端和-端)以及电流流动方向都与nFET相反。并且控制属性与nFET的控制属性也相反。图2表示的是pFET的电路符号，注意它与nFET所用的符号具有相同的特征，除了在pFET的栅极有一个反相的气泡不同外。这使得我们可以将它与nFET区别开来，但更为重要的是它暗示着施加于栅极的逻辑控制将与我们讨论过的nFET的情形具有相反的效应。同样应注意的是源极和漏极是颠倒的，故电流是从源极流入并从漏极流出。由于pFET与nFET相反，故该器件的工作特征可以仅仅通过颠倒nFET中讨论过的所有事情来理解。对于pFET的情形，控制器件行为所用的是源极到栅极的电压VSG(源极的电压减去栅极的电压)。如果源极到栅极的电压为VSG=VDD，那么晶体管允许电流流动，它处于ACTIVE或ON的状态。如果源极到栅极的电压较小，为VSG=0v，那么pFET处于CUTOFF(或简称为OFF)状态，此时没有电流流过晶体管。pFET的操作归纳于图6-9中。图4电流流经PFET与nFET对应的图4相比较，我们看到开关的动作是完全相反的。再强调一次，这是因为nFET与pFET是互补的电子器件。一：工作原理图5中①是典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底(图la)，在其面上扩散了两个N型区(图lb)，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc)，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)，从图5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。图5中②是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。图2是一种N沟道增强型功率MOSFET的结构图。工程硕士论文6图5MOSFET结构要使增强型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。图5中③所示，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(图5中③)。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5中④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。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5中⑤所示，它的转移特性如图5中⑥所示。VP为夹断电压(ID＝0)。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，称为夹断电压工程硕士论文7第三章物理结构及生产工艺一．物理结构MOSFET的封装形式可以说是琳琅满目，种类繁多，有DIP,SIP,TSOP,SOJ,SSOP,BGA，等等。图6MOSFET封装形式MOSFET呈现三维结构，因此我们要从剖面图和俯视图两个视角来研究。图7首先给出了剖面图，它能帮助读者了解器件的电气特性。图6a是nFET的符号图，图6b给出了晶体管的物理实现。剖面图显示了芯片横截面的情况。图7MOSFET封装形式晶体管在p型硅圆片（称为衬底，substrate）表面上形成。衬底可以保证机械强度，它大约只有几微米厚。栅是用多晶硅构成的，它的化学成分也是硅，但不是单晶体而是许多小晶体，通常称其为多晶硅(polysilicon），简称poly。晶体管的左、右两个节点（源端和漏端）由n型硅材料形成，并且它们上面还加了一层金属以提供电气连接。如果栅源电压过小则不能使晶体管导通，小于0.5伏的VGS将不足以改变半导体内的电荷分布情况。p型区域阻止了两个n型区域间的电子运动，使它们之间没有电流产生。这种情况下，晶体管处于截止状态（cutoff）下，源、漏两端就像一个打开的开关。如果增大VGS，那么栅和衬底间的电场将吸引电子在氧化物下面形成一个带负电的电子层。这个电子层叫沟道（channel），因为它为两个相邻的n型硅区域提供了一个导电的通道。这时电流可以流过器件，晶体管处于工程硕士论文8导通状态（activeoperation）。在电子学术语中，导通就意味着两端之间电气接触良好。二．生产工艺硅集成电路被制造在较大的硅圆片上，如图8a所示。一般情况下，图片的周长大概有8到10英寸。许多单独的电路，同时被制造到圆片上。图7-7b中的每个小方块都是一块集成电路图8硅圆片每块集成电路都由不同层次的材料组成的，而且每一层的图形和电气特性也各不相同。在每一层上形成不同图形的过程叫光刻（opticllithography）。光刻与照像和冲洗底片的过程类似，但是它的精度很高，能够产生宽度小于0.5微米（mm）的图形。在日常用语中，micrometer经常被简化为micron。具备产生如此微小电路的能力使我们可以制造VLSI级电路。硅圆片制成以后，一般都会运送到封测厂，封测厂进行晶圆切割，上片，打线，树脂封装，印码，焊接脚电镀，焊接脚成型，测试，包装出货。图9封测厂流程工程硕士论文9第四章常见应用小信号MOSFET主要用于模拟电路的信号放大和阻抗变换，但也可应用于开关或斩波。功率MOSFET除少数应用于音频功率放大器，工作于线性范围，大多数用作开关和驱动器，工作于开关状态，耐压从几十伏到上千伏，工作电流可达几安培到几十安培。功率MOSFET都是增强型MOSFET，