MOSFET 结构介绍

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1、1.基本器件结构功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)是非常通用的功率器件，因为它具有低的栅极驱动功率，快的开关速度和优异的并联工作能力。许多功率MOSFET具有纵向的垂直结构，源极和漏极在晶元的相对的平面，从而可以流过大的电流和具有高的电压。图1a和1b示出沟漕和平面两种基本的器件结构。沟漕结构主要用于额定电压低于200V的器件，因为它具有高的沟道密度，因此导通电阻低。平面结构适合于更高的额定电压器件，因为导通电阻主要由epi-层的电阻来决定，因此无法得到高的单元密度。两种结构基本的操作

2、相同。除了特别的定义，本文只讨论沟漕结构。沟槽MOSFET和平面MOSFET1a:沟槽MOSFET结构1b:平面MOSFET结构2.击穿电压在许多功率MOSFET中，N+源极和P-体形成的结是通过金属物短路的，从而避免意外的导通寄生的三极管。当没有偏置加在栅极时，功率MOSFET通过反向偏置P-体和N-Epi形成的结，可以承受高的漏极电压。在高压器件中，绝大部分电压由少掺杂的Epi层来承受：厚的少掺杂的Epi层承受更高的击穿耐压，但是增加了导通电阻。在低压器件中，P-体掺杂程度和N-Epi层差不多，

3、也可以承受电压。如果P-体的厚度不够，重掺杂太多，耗尽区可以通孔达到N+源极区，从而降低了击穿电压值。如果P-体的厚度太大，重掺杂不够，沟道的电阻和阈值电压将增大。因此需要仔细的设计体和Epi掺杂和厚度以优化其性能。数据表中，BVDSS通常定义为漏电流为250uA时漏极到源极的电压。漏极到源极的漏电流表示为IDSS，它在100%的BVDSS额定时测量。温度增加，IDSS增加，BVDSS也增加。3.导通状态特性要考虑功率MOSFET在两种不同的模式下工作：第一象限和第三象限工作。图2：导通区特性第一

4、象限第一象限工作当正向电压加在漏极上时，N沟道的功率MOSFET操作在第一象限工作，如图2所示。当栅极电压VG增加到阈值电压VTH时，MOSFET沟道开始流过电流。它流过电流的值取决于MOSFET的导通电阻，定义为：RDSON=VD/ID对于足够的栅极电荷过驱动VG>>VTH，ID-VD曲线操作在线性区，因为MOSFET的沟道完全导通。在低的栅极过驱动电压下，当VD>(VG-VTH)，由于沟道的修剪效应，漏极电流达到饱和点。对于沟漕MOSFET,RDSON由于下面几个部分组成：-RS:源极电阻-R

5、CH:沟道电阻-RACC:聚集区电阻-REPI:硅片顶层电阻，外延硅，有名epi；epi控制着MOSFET可以承受阻断电压值-RSUBS:硅衬底电阻，epi从它上面生长。Rdson组成图3a：沟槽Rdson组成图3b：平面Rdson组成Rdson组成对于沟漕MOSFET,RDSON由于下面几个部分组成：-RS:源极电阻-RCH:沟道电阻-RACC:聚集区电阻-REPI:硅片顶层电阻，外延硅，有名epi；epi控制着MOSFET可以承受阻断电压值-RSUBS:硅衬底电阻，epi从它上面生长。对于平面M

6、OSFET,RDSON组成部分和沟漕MOSFET相似。主要的不同在于出现JFET部分。当器件缩小到更小的尺寸，RS,RCH,RACC也减小，因为更多的单个的单元晶胞将堆积在给定的硅片区。另一方面，当电流被限制在靠近P-体区的狭窄的n-区流过时，RJFET将遭受JFET效应。由于没有JFET效应，沟漕MOSFET可以得到更高密度的缩减，实现低的RDSON。沟道电阻RCH主要依赖于栅极过驱动程度。VGS增加，RCH减小。开始时，当VGS增到VTH以上时，RDSON很快降减小，表明MOSFET沟道导通。当V

7、GS进一步增加，RDSON下降比较来缓，因为沟道完全导通，MOSFET导通电阻由其它的电阻组成部分决定。RDSON随温度增加而增加，因为温度增加，载流子运动能力降低，这是器件并联工作的重要特性。图4Rdson对栅极偏置和温度阈值电压阈值电压VGS(TH)定义为最小的栅极偏置电压，此时，在源极和漏极间形成导通的沟道。对于功率MOSFET，通道在250uA的漏源极电流时测量。栅极氧化层厚度和沟道掺杂集中度用来控制阈值电压。10-15V的驱动电压，其典型值设计为2-4V。使用CMOS技术缩减，功率MOSFE

8、T的栅极驱动电压可以降到的2.5-4.5V。因此，这些应用需要更低的阈值电压1-2V。阈值电压具有负的温度系数，温度增加，阈值电压降低。跨导跨导gfs，定义为MOSFET的增益，可以用下面公式表示：gfs=DIDS/DVGS=μCoxW/LCH通常在固定的VDS，在饱和区测量。器件栅极宽度W，沟道长度LCH，活动性μ，栅极电容COX，影响跨导值。温度增加，跨导降低，因为载流子的活性降低。第三象限工作在DCDC的BUCK变换器中，功