MOS管特性,MOSFET

MOS管概述

MOS管(guan)特(te)性(xing)及(ji)MOSFET，mos管(guan)是(shi)金属(metal)、氧化物(wu)(oxide)、半(ban)导(dao)(dao)体(semiconductor)场(chang)效应(ying)晶体管(guan)，或者称是(shi)金属—绝(jue)缘体(insulator)、半(ban)导(dao)(dao)体。MOS管(guan)的source和drain是(shi)可(ke)以对(dui)调的，他(ta)们都(dou)是(shi)在P型(xing)(xing)backgate中形成(cheng)的N型(xing)(xing)区(qu)。在多(duo)数(shu)情况下，这个两(liang)个区(qu)是(shi)一样的，即使两(liang)端对(dui)调也不会(hui)影响器件的性(xing)能。这样的器件被(bei)认为是(shi)对(dui)称的。

MOS管特性-导通特性

导(dao)通(tong)的(de)(de)意义是作(zuo)为开关(guan)(guan)，相(xiang)当于开关(guan)(guan)闭合。NMOS的(de)(de)特(te)(te)性，Vgs大于一定(ding)的(de)(de)值(zhi)就会导(dao)通(tong)，适宜(yi)(yi)用(yong)于源极(ji)接地时的(de)(de)情况（低端驱动(dong)），只(zhi)需(xu)栅(zha)极(ji)电压抵达(da)4V或10V就可(ke)以(yi)了。PMOS的(de)(de)特(te)(te)性，Vgs小于一定(ding)的(de)(de)值(zhi)就会导(dao)通(tong)，适宜(yi)(yi)用(yong)于源极(ji)接VCC时的(de)(de)情况（高(gao)端驱动(dong)）。但(dan)是，固然PMOS可(ke)以(yi)很便当地用(yong)作(zuo)高(gao)端驱动(dong)，但(dan)由于导(dao)通(tong)电阻大，价钱(qian)贵，交流种类少等(deng)缘由，在(zai)高(gao)端驱动(dong)中，通(tong)常还是运用(yong)NMOS。

MOS管特性之15个为什么？

（一）

为什么MOSFET的(de)饱(bao)和区跨导(dao)(dao)大于线性(xing)区的(de)跨导(dao)(dao)？

【答】饱和区(qu)与线性区(qu)都是(shi)(shi)出现了沟(gou)道(dao)的状态，但是(shi)(shi)它们的根本差别(bie)就在于沟(gou)道(dao)是(shi)(shi)否被夹(jia)断。电压对沟(gou)道(dao)宽(kuan)度的影响是(shi)(shi)：栅极电压将(jiang)使沟(gou)道(dao)宽(kuan)度均匀地发生(sheng)变化，源-漏电压将(jiang)使沟(gou)道(dao)宽(kuan)度不(bu)均匀地发生(sheng)变化（则会导致(zhi)沟(gou)道(dao)首先在漏极端夹(jia)断）。

在线性区(qu)时(shi)，由于源-漏(lou)电(dian)压(ya)较(jiao)低，则(ze)整个沟(gou)道(dao)的(de)宽度从头到尾(wei)变(bian)(bian)化不大(da)，这(zhei)时(shi)栅极(ji)电(dian)压(ya)控(kong)制沟(gou)道(dao)导(dao)电(dian)的(de)能(neng)力相对地较(jiao)差一些，于是(shi)跨(kua)导(dao)较(jiao)小。同(tong)时(shi)，随着源-漏(lou)电(dian)压(ya)的(de)增(zeng)大(da)，沟(gou)道(dao)宽度的(de)变(bian)(bian)化增(zeng)大(da)，使(shi)得漏(lou)端处的(de)沟(gou)道(dao)宽度变(bian)(bian)小，则(ze)栅极(ji)电(dian)压(ya)控(kong)制沟(gou)道(dao)导(dao)电(dian)的(de)能(neng)力增(zeng)强，跨(kua)导(dao)增(zeng)大(da)。

而在饱和区(qu)时，源-漏(lou)电(dian)压(ya)较高，沟道(dao)(dao)夹断，即(ji)在漏(lou)极端(duan)处(chu)的沟道(dao)(dao)宽(kuan)度为0，于是栅(zha)极电(dian)压(ya)控(kong)(kong)制沟道(dao)(dao)导(dao)电(dian)的能(neng)力很强（微(wei)小的栅(zha)极电(dian)压(ya)即(ji)可控(kong)(kong)制沟道(dao)(dao)的导(dao)通(tong)与截止），所以(yi)这时的跨(kua)导(dao)很大。因此，饱和区(qu)跨(kua)导(dao)大于线性(xing)区(qu)跨(kua)导(dao)。

可(ke)见，沟(gou)道越是接近夹断(duan)，栅极的控制能力就越强，则跨(kua)导(dao)也就越大；沟(gou)道完(wan)全(quan)夹断(duan)后，电流饱和，则跨(kua)导(dao)达到最大——饱和跨(kua)导(dao)。

（二）

为什么E-MOSFET的阈(yu)值电(dian)压随着半导体衬底(di)掺杂(za)浓度的提高而增(zeng)大？而随着温(wen)度的升高而下降？

【答】E-MOSFET的(de)(de)阈值(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)就是(shi)使半(ban)(ban)导(dao)体(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)产生(sheng)反(fan)(fan)型层（导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道）所需要加的(de)(de)栅(zha)极电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。对(dui)于(yu)n沟(gou)道E-MOSFET，当栅(zha)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)使得p型半(ban)(ban)导(dao)体(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)能带(dai)向下(xia)弯(wan)曲到表(biao)(biao)面(mian)(mian)势ψs≥2ψB时(shi)，即可认为(wei)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)强(qiang)反(fan)(fan)型，因(yin)为(wei)这(zhei)时(shi)反(fan)(fan)型层中(zhong)的(de)(de)少数载流(liu)子(zi)(zi)（电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)）浓度(du)就等(deng)于(yu)体(ti)内(nei)的(de)(de)多数载流(liu)子(zi)(zi)浓度(du)（～掺杂浓度(du)）；这(zhei)里的(de)(de)ψB是(shi)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)Fermi势，即半(ban)(ban)导(dao)体(ti)禁带(dai)中(zhong)央与Fermi能级(ji)之差。阈值(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)VT包含(han)有(you)三个部分(fen)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)（不考虑(lv)衬(chen)偏电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)时(shi)）：栅(zha)氧化层上的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)降Vox；半(ban)(ban)导(dao)体(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)附近的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)降2ΨB：抵消MOS系统中(zhong)各种电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷影响的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)降——平带(dai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)VF。

在(zai)阈(yu)(yu)值电压的(de)表示式(shi)中，与掺杂浓度(du)(du)和温度(du)(du)有关的(de)因素主要是半(ban)(ban)导(dao)体(ti)(ti)Fermi势ψB。 当p型(xing)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)(ti)衬底的(de)掺杂浓度(du)(du)NA提高时(shi)，半(ban)(ban)导(dao)体(ti)(ti)Fermi能级趋向于价带顶变化，则半(ban)(ban)导(dao)体(ti)(ti)Fermi势ψB增(zeng)大(da)，从而就使得更(geng)加难以达到(dao)ψs≥2ψB的(de)反(fan)型(xing)层产生条件，所以阈(yu)(yu)值电压增(zeng)大(da)。

当温(wen)度(du)T升高时，半导体Fermi能级将趋向(xiang)于禁带中央变化，则(ze)半导体Fermi势ψB减小，从而导致更加容易达到ψs≥2ψB的反(fan)型层产生(sheng)条(tiao)件(jian)，所(suo)以阈值电压降低。

（三）

为什么E-MOSFET的饱和源(yuan)-漏电(dian)流与饱和电(dian)压之间(jian)具(ju)有平方的关系？

【答】增强型(xing)MOSFET（E-MOSFET）的饱和源-漏电流表示(shi)式(shi)为

饱和(he)电(dian)压(ya)(ya)(VGS-VT)就是沟道(dao)夹断(duan)时的源-漏电(dian)压(ya)(ya)。在MOSFET的转移特性（IDsat～VGS）曲(qu)线上，E-MOSFET的饱和(he)源-漏电(dian)流(liu)IDsat与(yu)饱和(he)电(dian)压(ya)(ya)(VGS-VT)的关系即呈(cheng)现(xian)为(wei)抛物(wu)线。导致出现(xian)这种平方关系的原因有二(er)：

沟道宽度越大，饱和源-漏(lou)电(dian)流越大，饱和电(dian)压也就越高(gao)；

电(dian)流饱和就对应于(yu)沟道夹断，而夹断区(qu)即为耗(hao)尽层，其(qi)宽(kuan)度与电(dian)压之间存在着(zhe)平方(fang)根(gen)的关系，这就导致以(yi)上(shang)的平方(fang)结(jie)果。正因为MOSFET具有如此平方(fang)的电(dian)流-电(dian)压关系，所以(yi)常称其(qi)为平方(fang)率(lv)器(qi)件(jian)。

（四）

为什么一般MOSFET的饱和源-漏电流(liu)具有负的温度系数？

【答】MOSFET的饱和源(yuan)-漏电流可表示为

在此关系中，因为材(cai)料参数(shu)和器(qi)件结构参数(shu)均与温(wen)(wen)度(du)(du)的(de)关系不大，则与温(wen)(wen)度(du)(du)有(you)关的(de)因素(su)主要(yao)有(you)二：阈值电压VT和载流子迁移率μn。

由(you)于MOSFET的(de)(de)阈值电(dian)压VT具有(you)负(fu)的(de)(de)温度(du)系数，所以(yi)，随着(zhe)温度(du)的(de)(de)升高，就使(shi)得MOSFET的(de)(de)输出(chu)饱和源-漏电(dian)流随之增大(da)，即导致电(dian)流具有(you)正的(de)(de)温度(du)系数。

而载流子迁移(yi)率μn，在室温(wen)附近一(yi)般将随着温(wen)度的升高而下降(jiang)（主要(yao)是晶(jing)格振(zhen)动散射起(qi)作用(yong)）：

式(shi)中To=300K，m=1.5～2.0。迁移率的这种温(wen)度特性即(ji)导致MOSFET的增益因(yin)子

也(ye)具(ju)有(you)负(fu)的温(wen)度系数(shu)。从(cong)而，随(sui)着(zhe)温(wen)度的升(sheng)高(gao)，迁移率的下(xia)降就(jiu)会(hui)导(dao)致MOSFET的输出(chu)源(yuan)-漏(lou)电流(liu)(liu)减小，即电流(liu)(liu)具(ju)有(you)负(fu)的温(wen)度系数(shu)。

综合以上阈值(zhi)电(dian)压和(he)载流子(zi)迁移率这两(liang)种因(yin)素的不(bu)同影响(xiang)，则根据MOSFET饱和(he)电(dian)流的表示式即可得知：

当饱和电(dian)压(VGS-VT)较大（即VGS>>VT）时，阈值电(dian)压温(wen)度关系(xi)(xi)(xi)的(de)(de)影响可(ke)以忽(hu)略，则输出源-漏(lou)电(dian)流(liu)的(de)(de)温(wen)度特性将主要(yao)决定于载流(liu)子迁(qian)移率的(de)(de)温(wen)度关系(xi)(xi)(xi)，即具有(you)负的(de)(de)温(wen)度系(xi)(xi)(xi)数(shu)（温(wen)度升高，IDS下(xia)降）；当饱和(he)电压(VGS-VT)较(jiao)小（即VGS～VT）时，则(ze)输(shu)出源-漏电流的(de)(de)温度特性将主(zhu)要决(jue)定(ding)于(yu)阈值(zhi)电压的(de)(de)温度关系，从而具有(you)正的(de)(de)温度系数（温度升高，IDS也增(zeng)大）。

而对于(yu)一般的(de)(de)(de)MOSFET，为了获得较大(da)(da)的(de)(de)(de)跨导，往往把(ba)饱和电压(VGS-VT)选取得较大(da)(da)，因此可以(yi)不考虑阈值电压的(de)(de)(de)影响(xiang)，于(yu)是饱和源-漏电流(liu)(liu)(liu)通常都(dou)具(ju)有(you)负的(de)(de)(de)温度系数(shu)。也(ye)因此，一般的(de)(de)(de)MOSFET都(dou)具(ju)有(you)一定的(de)(de)(de)自我保护的(de)(de)(de)功(gong)能，则(ze)可以(yi)把(ba)多个管芯直接(jie)并联(lian)起来，也(ye)不会出现(xian)因电流(liu)(liu)(liu)分(fen)配不均(jun)匀(yun)而引起的(de)(de)(de)失效；利用这(zhei)种(zhong)并联(lian)管芯的(de)(de)(de)办法即可方(fang)便(bian)地达(da)到增(zeng)大(da)(da)器(qi)件输出电流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)（实际(ji)上(shang)，功(gong)率(lv)MOSFET就(jiu)是采用这(zhei)种(zhong)措施来实现(xian)大(da)(da)电流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)）。

（五）

为什(shen)么(me)MOSFET的饱和跨导一般与饱和电压(ya)成正比？但为什(shen)么(me)有时又与饱和电压(ya)成反比？

【答】在(zai)源-漏电(dian)(dian)压(ya)VDS一定时(shi)：由E-MOSFET的(de)(de)饱(bao)和电(dian)(dian)流IDsat对栅电(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)微分，即可(ke)得到饱(bao)和跨导(dao)gmsat与饱(bao)和电(dian)(dian)压(ya)(VGS-VT)成正比：

这(zhei)种正(zheng)比(bi)关系(xi)的(de)得(de)来，是由于饱和电压越(yue)(yue)高，就意味着沟(gou)(gou)道(dao)越(yue)(yue)不容(rong)易(yi)夹断，则(ze)导电沟(gou)(gou)道(dao)厚(hou)度必然(ran)较大，因此在同样栅极(ji)电压下的(de)输(shu)出源-漏电流就越(yue)(yue)大，从而跨(kua)导也就越(yue)(yue)大。

在饱和电流(liu)IDsat一定(ding)时(shi)：饱和跨导(dao)gmsat却(que)与饱和电压(VGS-VT)成反比：

这是由于饱和电压越(yue)高，就意味着(zhe)沟(gou)道越(yue)难(nan)以(yi)夹断，则栅极的控制能(neng)力就越(yue)小，即跨导(dao)越(yue)小。

总之，在源-漏电压一(yi)定时，饱(bao)和跨(kua)导与饱(bao)和电压成正比(bi)，而在源-漏电流一(yi)定时，饱(bao)和跨(kua)导与饱(bao)和电压成反比(bi)。

这种相反的比例关(guan)系，在其他场合也存在着，例如功(gong)耗(hao)P与电(dian)(dian)(dian)阻(zu)R的关(guan)系：当(dang)电(dian)(dian)(dian)流(liu)一定时，功(gong)耗(hao)与电(dian)(dian)(dian)阻(zu)成正比（P=IV=I2R）；当(dang)电(dian)(dian)(dian)压一定时，功(gong)耗(hao)与电(dian)(dian)(dian)阻(zu)成反比（P=IV=V2/R）。

（六）

为什么MOSFET的线性区源-漏(lou)电导(dao)等于饱和区的跨导(dao)（栅(zha)极(ji)跨导(dao)）？

【答】MOSFET的线性区(qu)源-漏(lou)电导gdlin和饱(bao)和区(qu)的栅极跨(kua)导gmsat，都是表(biao)征电压对(dui)沟道导电、即(ji)对(dui)源-漏(lou)电流控制能力大小的性能参数。

在线性区(qu)时(shi)，沟(gou)道(dao)未(wei)夹断，但源-漏电压将使沟(gou)道(dao)宽度(du)不(bu)均(jun)匀(yun)；这(zhei)时(shi)源-漏电压的变化，源-漏电导gdlin即表(biao)征着在沟(gou)道(dao)未(wei)夹断情况下、源-漏电压对源-漏电流的控(kong)制(zhi)能力(li)，这(zhei)种控(kong)制(zhi)就是通过(guo)沟(gou)道(dao)宽度(du)发生不(bu)均(jun)匀(yun)变化而(er)起作(zuo)用的。

而饱(bao)和(he)区的栅(zha)极(ji)跨(kua)导(dao)(dao)——饱(bao)和(he)跨(kua)导(dao)(dao)gmsat是表征着在沟道夹断情况下、栅(zha)-源电压对源-漏电流的控制能力，这时剩余(yu)沟道的宽度(du)已(yi)经(jing)是不均匀(yun)的，则这种控制也相当于是通过沟道宽度(du)发生(sheng)不均匀(yun)变化而起作用的，因此这时的栅(zha)极(ji)跨(kua)导(dao)(dao)就等效(xiao)于线性区源-漏电导(dao)(dao)：

（七）

为什(shen)么在E-MOSFET的(de)栅-漏转移特(te)性(xing)上，随着栅-源电(dian)压的(de)增大，首先出现(xian)的(de)是饱(bao)和区电(dian)流、然后才是线性(xing)区电(dian)流？

【答(da)】E-MOSFET的栅-漏(lou)转移特性如图1所示。在栅-源电压(ya)VGS小于阈值电压(ya)VT时，器件截(jie)止（没有(you)沟道(dao)），源-漏(lou)电流电流很小（称为亚阈电流）。

在VGS>VT时(shi)，出(chu)现沟道(dao)，但如果源(yuan)(yuan)-漏电(dian)(dian)压(ya)VDS=0，则不(bu)会(hui)产生电(dian)(dian)流(liu)；只有(you)(you)在VGS>VT和(he)VDS>0时(shi)，才会(hui)产生电(dian)(dian)流(liu)，这(zhei)时(shi)必然有(you)(you)VDS >(VGS-VT)，因此MOSFET处于沟道(dao)夹断(duan)的(de)饱(bao)和(he)状(zhuang)态，于是源(yuan)(yuan)-漏电(dian)(dian)流(liu)随栅(zha)-源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)压(ya)而平方地(di)上升。相应地(di)，饱(bao)和(he)跨导随栅(zha)-源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)压(ya)而线性地(di)增大，这(zhei)是由于饱(bao)和(he)跨导与(yu)饱(bao)和(he)电(dian)(dian)压(ya)(VGS-VT)成正比的(de)缘故。

而(er)当栅-源(yuan)电压(ya)进一步增大，使得VDS<(VGS-VT)时(shi)，则(ze)MOSFET又将转变为沟(gou)道未(wei)夹断的线性工作(zuo)状态，于(yu)是源(yuan)-漏电流随栅-源(yuan)电压(ya)而(er)线性地增大。这时(shi)，跨导不再变化（与栅电压(ya)无关(guan)）。

（八）

为什么MOSFET的电流放大系数截止频率fT与(yu)跨导(dao)gm成正(zheng)比？

【答】MOSFET的(de)(de)fT就是(shi)输(shu)(shu)出(chu)电(dian)流随(sui)着频(pin)率的(de)(de)升高而(er)下(xia)降(jiang)到等于(yu)输(shu)(shu)入电(dian)流时的(de)(de)频(pin)率。器件(jian)的(de)(de)跨导gm越大，输(shu)(shu)出(chu)的(de)(de)电(dian)流就越大，则(ze)输(shu)(shu)出(chu)电(dian)流随(sui)频(pin)率的(de)(de)下(xia)降(jiang)也(ye)就越慢，从而(er)截止频(pin)率就越大，即fT与gm有正比关系：

由(you)于(yu)fT与(yu)(yu)gm的(de)正比关(guan)系，就使(shi)得fT与(yu)(yu)饱(bao)和电压（VGS-VT）也(ye)有正比关(guan)系，从而(er)高频率就要求较大的(de)饱(bao)和电压。

（九）

IGBT和MCT都是MOS栅(zha)极(ji)控(kong)制的(de)功率场效应晶(jing)体管(guan)，为什么说它们是两(liang)种(zhong)完全不同的(de)器件？

【答】IGBT（绝(jue)缘栅双极型场(chang)效应(ying)晶体管）和MCT（MOS控(kong)制晶闸管）的共同点主要有：

都是MOS栅(zha)极控制的器件，则具有功率场效应晶体(ti)管的优点；

在(zai)结(jie)构(gou)上(shang)，其中都存在(zai)着四层、三(san)结(jie)的晶闸管结(jie)构(gou)，因此在(zai)一定条件(jian)下会出现阳极电流闩锁效应(ying)；它(ta)们都可以采用多(duo)个元(yuan)胞并联的结(jie)构(gou)，因此可以获得很大的工(gong)作(zuo)电流；它(ta)们都是有(you)两种载流子参与工(gong)作(zuo)的器件(jian)，因此都是双极型的场效应(ying)晶体管，导通(tong)电阻(zu)低，但(dan)开(kai)关速度也相对地要(yao)比MOSFET的低。

IGBT和(he)MCT的(de)最大不同点就(jiu)在于它们的(de)工作(zuo)状态和(he)性质不相同，因(yin)此说(shuo)它们是两(liang)种完全(quan)不同的(de)器件：

IGBT的(de)(de)工作(zuo)电流(liu)主要(yao)是通过MOS沟道(dao)的(de)(de)电流(liu)，而其中(zhong)的(de)(de)晶(jing)闸管电流(liu)是需要(yao)极力避免(mian)的(de)(de)（IGBT的(de)(de)最大工作(zuo)电流(liu)——擎(qing)住电流(liu)就是其中(zhong)晶(jing)闸管不导通时的(de)(de)电流(liu)），因(yin)此(ci)从(cong)本质上来看，IGBT基本上是一种(zhong)MOSFET，因(yin)此(ci)IGBT具有MOS器件(jian)的(de)(de)许(xu)多优点，例如(ru)较强(qiang)的(de)(de)栅极的(de)(de)控制(zhi)能力和较低的(de)(de)驱动功率（因(yin)为有很大的(de)(de)输(shu)入电阻和较小的(de)(de)输(shu)入电容之(zhi)故）。

而(er)MCT与IGBT的(de)(de)恰(qia)恰(qia)相反，它的(de)(de)工作电流(liu)主要是(shi)晶闸管电流(liu)，至于MOS沟(gou)道的(de)(de)电流(liu)，则主要是(shi)起(qi)着触发晶闸管导通或(huo)者关(guan)断的(de)(de)作用，不是(shi)MCT的(de)(de)主要工作电流(liu)，因此从(cong)(cong)本(ben)质上(shang)(shang)来看，MCT基(ji)本(ben)上(shang)(shang)是(shi)一种晶闸管——双(shuang)极型器件，从(cong)(cong)而(er)MCT具有导通电阻(zu)很(hen)低、耐压很(hen)高、功率容量(liang)很(hen)大的(de)(de)优点。

IGBT虽然在本质上是一(yi)(yi)种(zhong)MOS器(qi)(qi)件，但又不同于一(yi)(yi)般的(de)(de)(de)MOSFET，因(yin)为IGBT在导通工作(zuo)时，有少数载流子注入到高(gao)阻(zu)的(de)(de)(de)耐压(ya)层（漂移区），可以产生电(dian)导调制，则(ze)它的(de)(de)(de)导通电(dian)阻(zu)较小(xiao)，增大(da)了器(qi)(qi)件的(de)(de)(de)电(dian)流容量(liang)（电(dian)流密(mi)度(du)要比VDMOSFET的(de)(de)(de)高(gao)2～3倍(bei)）；同时由(you)于高(gao)阻(zu)耐压(ya)层的(de)(de)(de)引入而提高(gao)了工作(zuo)电(dian)压(ya)。因(yin)此IGBT的(de)(de)(de)功率(lv)容量(liang)很(hen)大(da)。只(zhi)是IGBT的(de)(de)(de)开关速度(du)，由(you)于少数载流子的(de)(de)(de)引入而相应(ying)地(di)有所降(jiang)低。

（十）

为什(shen)么提高MOSFET的(de)频(pin)率与提高增益之间(jian)存在着矛盾？

【答】MOSFET的(de)高频(pin)率要(yao)求(qiu)(qiu)它(ta)具有(you)较(jiao)(jiao)大(da)的(de)跨(kua)导(dao)，而在源-漏电(dian)压一(yi)定的(de)情况下，较(jiao)(jiao)大(da)的(de)跨(kua)导(dao)又要(yao)求(qiu)(qiu)它(ta)具有(you)较(jiao)(jiao)大(da)的(de)饱和电(dian)压（VGS-VT），所以(yi)高频(pin)率也就要(yao)求(qiu)(qiu)有(you)较(jiao)(jiao)大(da)的(de)饱和电(dian)压。

因为MOSFET的(de)(de)电(dian)压增益是在(zai)源-漏电(dian)流一(yi)定的(de)(de)情(qing)况(kuang)下、输出电(dian)压VDS对(dui)栅(zha)-源电(dian)压VGS的(de)(de)微(wei)分(fen)，则饱和(he)状(zhuang)态的(de)(de)电(dian)压增益Kvsat将要求器件具有较(jiao)小的(de)(de)饱和(he)电(dian)压（VGS-VT）：

这是由于在IDsat一定(ding)时，饱(bao)和电压越(yue)(yue)低(di)，饱(bao)和跨导就(jiu)越(yue)(yue)大(da)，故Kvsat也(ye)就(jiu)越(yue)(yue)大(da)。

可见，提高(gao)(gao)频(pin)率与增(zeng)(zeng)大电压增(zeng)(zeng)益(yi)，在对(dui)于器件饱和电压的(de)要求上存在着(zhe)矛盾。因此(ci)，在工作电流IDsat一定时，为(wei)了提高(gao)(gao)电压增(zeng)(zeng)益(yi)，就应该减(jian)小(VGS-VT)和增(zeng)(zeng)大沟道长度(du)L。这(zhei)种(zhong)(zhong)考虑对(dui)于高(gao)(gao)增(zeng)(zeng)益(yi)MOSFET具有重要的(de)意义(yi)；但是(shi)这(zhei)种(zhong)(zhong)减(jian)小(VGS-VT)的(de)考虑却对(dui)于提高(gao)(gao)截止频(pin)率不(bu)利(li)。

（十一）

为什么E-MOSFET的栅-源(yuan)短接而构成的MOS二极(ji)管存在着“阈值损失(shi)”？

【答】这种(zhong)集成MOS二极管(guan)的(de)连接方式(shi)及其伏安(an)特性(xing)如图2所(suo)示。因(yin)为(wei)栅极与漏极短接，则(ze)VGS=VDS。因(yin)此，当(dang)电压较小（VGS=VDS(VGS－VT)关系，于是(shi)出现了沟道、但总是(shi)被夹(jia)断的(de)，所(suo)以(yi)器(qi)件处于饱和状态(tai)，输(shu)出源-漏电流最(zui)大、并且饱和，为(wei)恒(heng)流源。

由于VGS=VDS，所以这种(zhong)二极(ji)管(guan)(guan)的输出伏(fu)(fu)安(an)特性将与(yu)转(zhuan)(zhuan)移特性完全一致。因为MOSFET的饱和输出电流(liu)IDsat与(yu)饱和电压(ya)(VGS－VT)之(zhi)间有平(ping)方关(guan)(guan)系，所以该二极(ji)管(guan)(guan)在VGS=VDS≥VT时的输出伏(fu)(fu)安(an)特性为抛物线关(guan)(guan)系，并且(qie)这也就是其转(zhuan)(zhuan)移特性的关(guan)(guan)系。

所谓(wei)阈(yu)(yu)值损(sun)失，例如(ru)在门电(dian)(dian)路(lu)中，是输(shu)出(chu)高电(dian)(dian)平(ping)要比电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)压低(di)(di)一(yi)个阈(yu)(yu)值电(dian)(dian)压大小(xiao)的一(yi)种现象。由(you)E型,栅-漏短接的MOS二极(ji)管(guan)的伏安特性(xing)可以见(jian)到(dao)(dao)(dao)(dao)，当(dang)其输(shu)出(chu)源(yuan)(yuan)-漏电(dian)(dian)流(liu)(liu)IDS降低(di)(di)到(dao)(dao)(dao)(dao)0时，其源(yuan)(yuan)-漏电(dian)(dian)压VDS也相应地降低(di)(di)到(dao)(dao)(dao)(dao)VT。这就意味着(zhe)，这种二极(ji)管(guan)的输(shu)出(chu)电(dian)(dian)压最低(di)(di)只能下降到(dao)(dao)(dao)(dao)VT，而不能降低(di)(di)到(dao)(dao)(dao)(dao)0。这种“有电(dian)(dian)压、而没有电(dian)(dian)流(liu)(liu)”的性(xing)质(zhi)，对于用作为有源(yuan)(yuan)负(fu)载的这种集成(cheng)MOS二极(ji)管(guan)而言，就必将(jiang)会造成(cheng)阈(yu)(yu)值损(sun)失。

（十二）

为什(shen)么在MOSFET中存在有BJT的作用(yong)？这种作用(yong)有何危害？

【答】对(dui)于常规的(de)(de)MOSFET：如图3（a）所示(shi)，源区、漏区和p衬(chen)底即(ji)(ji)(ji)构成了一个npn寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)晶体管(guan)(guan)。当(dang)沟(gou)(gou)道中的(de)(de)电(dian)(dian)场较(jiao)强时(shi)，在夹断区附近(jin)的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)即(ji)(ji)(ji)将获得很大的(de)(de)能量(liang)而成为热电(dian)(dian)子(zi)，然后这些热电(dian)(dian)子(zi)通过(guo)(guo)与价(jia)电(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)碰撞、电(dian)(dian)离，就(jiu)(jiu)会形成一股(gu)流向衬(chen)底的(de)(de)空穴电(dian)(dian)流Ib；该过(guo)(guo)衬(chen)底电(dian)(dian)流就(jiu)(jiu)是(shi)寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)晶体管(guan)(guan)的(de)(de)基极(ji)电(dian)(dian)流，在热电(dian)(dian)子(zi)效(xiao)应较(jiao)严重(zhong)、衬(chen)底电(dian)(dian)流较(jiao)大时(shi)，即(ji)(ji)(ji)可使寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)晶体管(guan)(guan)导通，从而破坏了MOSFET的(de)(de)性能。这种热电(dian)(dian)子(zi)效(xiao)应的(de)(de)不良影响往(wang)往(wang)是(shi)较(jiao)短沟(gou)(gou)道MOSFET的(de)(de)一种重(zhong)要(yao)失效(xiao)机理(li)。

对于CMOS器(qi)件：在(zai)CMOS器(qi)件的芯片中，存在(zai)着npnp的四(si)层结构——晶闸管。当其中的BJT因为热电子(zi)效应而导通时，即(ji)可发(fa)生所(suo)谓“闩锁效应”、而导致器(qi)件失效。

对于(yu)(yu)VDMOSFET：观察图3（b）中的(de)结构，即可见到(dao)，当器件正向导通时，其中存在一个工(gong)作(zuo)于(yu)(yu)放大(da)状(zhuang)态的(de)寄(ji)(ji)(ji)生n-p-n晶(jing)体(ti)管(guan)（n+源区(qu)(qu)是发射区(qu)(qu)，n-外延层是集(ji)电(dian)区(qu)(qu)，p沟道是基区(qu)(qu)）。该寄(ji)(ji)(ji)生晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)可能导电(dian)通道是与MOSFET的(de)ID相并联的(de)，故在VDMOSFET工(gong)作(zuo)时，必须要(yao)注意防止寄(ji)(ji)(ji)生晶(jing)体(ti)管(guan)导通；否则，寄(ji)(ji)(ji)生晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)导通就可能引起二次(ci)击穿，使得功率MOSFET完(wan)全失去(qu)功能。

为了(le)避免VDMOSFET在正向工作时、其中寄生(sheng)(sheng)n-p-n晶体管的(de)导通(tong)，可以设法使寄生(sheng)(sheng)晶体管的(de)电(dian)流放大系数变得很小、甚至减至为0——采用“阴极(ji)短路技术”，即把寄生(sheng)(sheng)晶体管的(de)发(fa)(fa)射(she)极(ji)与基极(ji)短接起来，工艺(yi)上(shang)就(jiu)通(tong)过把发(fa)(fa)射(she)区（源极(ji)区）的(de)金属(shu)电(dian)极(ji)延伸到沟道体区的(de)表面上(shang)来实现。因为这种阴极(ji)短路结构截断了(le)发(fa)(fa)射(she)极(ji)注(zhu)入载(zai)流子的(de)功能，所(suo)以能够防止寄生(sheng)(sheng)晶体管的(de)导通(tong)。

对于(yu)VDMOSFET，在采用了阴极(ji)(ji)短路(lu)结构之后，实际上又(you)恰恰在器件内部形(xing)成了一(yi)个(ge)p-n-n+二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)，这个(ge)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)与VDMOSFET是反向并联的，这也就(jiu)顺便地在VDMOSFET中设(she)置了一(yi)个(ge)阻尼二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)（续流二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)），该二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)对于(yu)泄放反向电动势、防止(zhi)主体晶体管(guan)(guan)的击穿具有(you)重要(yao)作用。

（十三）

为什么E-MOSFET的(de)源-漏电(dian)流在沟道(dao)夹断之后变(bian)得更大、并且是(shi)饱和的(de)（即(ji)与源-漏电(dian)压无关）？

【答】E-MOSFET的(de)(de)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)夹断(duan)(duan)(duan)是(shi)指栅极电压(ya)大(da)于(yu)阈值(zhi)电压(ya)、出(chu)现了沟(gou)(gou)(gou)道(dao)之后，源-漏电压(ya)使得沟(gou)(gou)(gou)道(dao)在(zai)漏极端(duan)夹断(duan)(duan)(duan)的(de)(de)一种状(zhuang)态。实际上，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)在(zai)一端(duan)夹断(duan)(duan)(duan)并不等于(yu)完(wan)全没有沟(gou)(gou)(gou)道(dao)。当(dang)栅电压(ya)小于(yu)阈值(zhi)电压(ya)时(shi)，则完(wan)全没有沟(gou)(gou)(gou)道(dao)，这是(shi)不导电的(de)(de)状(zhuang)态——截止状(zhuang)态。而(er)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)的(de)(de)夹断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)由于(yu)是(shi)耗尽区(qu)(qu)，增(zeng)加的(de)(de)源-漏电压(ya)也主要是(shi)降落在(zai)夹断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)，则夹断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)中存(cun)在(zai)很(hen)强的(de)(de)电场，只要有载(zai)流子到达(da)夹断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)的(de)(de)边(bian)缘，即可(ke)被电场拉过、从漏极输(shu)出(chu)，因此夹断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)不但不阻止载(zai)流子通(tong)过，而(er)相反(fan)地却能够(gou)很(hen)好地导电，所以有沟(gou)(gou)(gou)道(dao)、并且沟(gou)(gou)(gou)道(dao)在(zai)一端(duan)夹断(duan)(duan)(duan)的(de)(de)状(zhuang)态，是(shi)一种很(hen)好的(de)(de)导电状(zhuang)态，则沟(gou)(gou)(gou)道(dao)夹断(duan)(duan)(duan)之后的(de)(de)输(shu)出(chu)源-漏电流最大(da)。

E-MOSFET的(de)(de)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)在漏极端(duan)夹断(duan)(duan)以(yi)后(hou)(hou)，由于(yu)夹断(duan)(duan)区基(ji)本上(shang)是(shi)耗尽区，则再进一步(bu)增加的(de)(de)源(yuan)-漏电(dian)压(ya)，即将主(zhu)要是(shi)降落(luo)在夹断(duan)(duan)区，这就(jiu)使(shi)得未被夹断(duan)(duan)的(de)(de)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)——剩余(yu)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)的(de)(de)长(zhang)度基(ji)本上(shang)保持(chi)不变；而在沟(gou)(gou)道(dao)(dao)夹断(duan)(duan)之后(hou)(hou)的(de)(de)源(yuan)-漏电(dian)流(liu)主(zhu)要是(shi)决定于(yu)剩余(yu)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)的(de)(de)长(zhang)度，所以(yi)这时的(de)(de)源(yuan)-漏电(dian)流(liu)也就(jiu)基(ji)本上(shang)不随源(yuan)-漏电(dian)压(ya)而变化——输出电(dian)流(liu)饱和。

（十四）

为什么短沟道E-MOSFET的饱和(he)源-漏电(dian)流(liu)并不完全饱和(he)？

【答】对于短(duan)沟(gou)道(dao)MOSFET，引(yin)起(qi)输出源-漏电流饱(bao)和的原因基本上(shang)有两种(zhong)：一(yi)种(zhong)是(shi)沟(gou)道(dao)夹(jia)断所(suo)导致(zhi)(zhi)的电流饱(bao)和；另一(yi)种(zhong)是(shi)速度(du)饱(bao)和所(suo)导致(zhi)(zhi)的电流饱(bao)和。

对(dui)于沟(gou)道夹(jia)断(duan)(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)饱(bao)(bao)和(he)，因为(wei)夹(jia)断(duan)(duan)区的(de)(de)(de)(de)(de)长(zhang)(zhang)度(du)会随(sui)(sui)着(zhe)其上电压(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)而有(you)(you)(you)所增大(da)，则使得剩(sheng)余沟(gou)道的(de)(de)(de)(de)(de)长(zhang)(zhang)度(du)也将随(sui)(sui)着(zhe)源(yuan)-漏电压(ya)而减短(duan)，从而就(jiu)会引起源(yuan)-漏电流(liu)(liu)相(xiang)(xiang)应地随(sui)(sui)着(zhe)源(yuan)-漏电压(ya)而有(you)(you)(you)所增大(da)——输出电流(liu)(liu)不(bu)完全饱(bao)(bao)和(he)。不(bu)过，这(zhei)种(zhong)电流(liu)(liu)不(bu)饱(bao)(bao)的(de)(de)(de)(de)(de)程度(du)与(yu)沟(gou)道长(zhang)(zhang)度(du)有(you)(you)(you)关：对(dui)于长(zhang)(zhang)沟(gou)道MOSFET，这(zhei)种(zhong)夹(jia)断(duan)(duan)区长(zhang)(zhang)度(du)随(sui)(sui)源(yuan)-漏电压(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)变(bian)化(hua)量，相(xiang)(xiang)对(dui)于整个沟(gou)道长(zhang)(zhang)度(du)而言(yan)，可以(yi)忽略，所以(yi)这(zhei)时沟(gou)道夹(jia)断(duan)(duan)之(zhi)后的(de)(de)(de)(de)(de)源(yuan)-漏电流(liu)(liu)近(jin)似为(wei)“饱(bao)(bao)和(he)”的(de)(de)(de)(de)(de)；但(dan)是对(dui)于短(duan)沟(gou)道MOSFET，这(zhei)种(zhong)夹(jia)断(duan)(duan)区长(zhang)(zhang)度(du)随(sui)(sui)源(yuan)-漏电压(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)变(bian)化(hua)量，相(xiang)(xiang)对(dui)于整个沟(gou)道长(zhang)(zhang)度(du)而言(yan)，不(bu)能忽略，所以(yi)沟(gou)道夹(jia)断(duan)(duan)之(zhi)后的(de)(de)(de)(de)(de)源(yuan)-漏电流(liu)(liu)将会明显地随(sui)(sui)着(zhe)源(yuan)-漏电压(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)而增加(jia)——不(bu)饱(bao)(bao)和(he)。

对于(yu)速度饱(bao)和(he)所引起的电(dian)(dian)流饱(bao)和(he)情况(kuang)，一般说来，当电(dian)(dian)场(chang)很强、载(zai)流子速度饱(bao)和(he)之后，再(zai)进一步增(zeng)大(da)源-漏电(dian)(dian)压(ya)，也不会使(shi)电(dian)(dian)流增(zeng)大(da)。因(yin)此，这(zhei)时的饱(bao)和(he)电(dian)(dian)流原则上是与源-漏电(dian)(dian)压(ya)无关的。

对于短沟道(dao)MOSFET，还有一个(ge)导致电(dian)(dian)流(liu)不(bu)饱和的重要(yao)原(yuan)因(yin)，即(ji)所谓DIBL（漏(lou)极(ji)感应(ying)源(yuan)端(duan)势垒(lei)降低）效应(ying)。因(yin)为(wei)源(yuan)区与沟道(dao)之间总是(shi)存(cun)在(zai)一个(ge)高(gao)低结(jie)所造(zao)成的势垒(lei)，当源(yuan)-漏(lou)电(dian)(dian)压越(yue)高(gao)，就(jiu)将(jiang)使得该势垒(lei)越(yue)低，则通过(guo)沟道(dao)的源(yuan)-漏(lou)电(dian)(dian)流(liu)越(yue)大，因(yin)此输出电(dian)(dian)流(liu)不(bu)会(hui)饱和。

总之，导致(zhi)短(duan)沟道MOSFET电流不饱和的因素主(zhu)要有(you)沟道长(zhang)度调制(zhi)效应和DIBL效应。

（十五）

为(wei)什(shen)么在VDMOSFET中存在有JFET的作用？有何不良(liang)影响？

【答】如图4所示，源-漏电流是(shi)从(cong)芯片表面(mian)向下(xia)流动的(de)(de)，并在电流通路(lu)的(de)(de)两侧(ce)是(shi)pn结，因此这(zhei)种电流输运(yun)的(de)(de)过程，从(cong)工作原理上来看，就(jiu)相当于是(shi)一个寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)JFET。从(cong)而可以把VDMOSFET等效为一个MOSFET与一个寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)JFET的(de)(de)串联组合，其中很大部(bu)分(fen)n-漂移区就(jiu)相当于是(shi)寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)JFET的(de)(de)沟道

由(you)于(yu)JFET的(de)(de)输出(chu)交流电(dian)(dian)阻(zu)非常大(da)，同时也因为较高(gao)的(de)(de)源-漏电(dian)(dian)压而(er)具有很大(da)的(de)(de)输出(chu)直流电(dian)(dian)阻(zu)，所以(yi)就使得VDMOSFET的(de)(de)导通电(dian)(dian)阻(zu)大(da)大(da)增加(jia)，因此n-漂移区的(de)(de)厚度和(he)掺杂浓度对整个器件性能的(de)(de)影响都较大(da)。

为了(le)消除VDMOSFET中寄生JFET的影响，以降低导通电阻，就必(bi)须(xu)在结(jie)构上加(jia)以改变，由此发展出了(le)V形槽(cao)栅(zha)、U形槽(cao)栅(zha)和(he)沟(gou)槽(cao)（Trench）栅(zha)等结(jie)构的MOSFET。

虽(sui)然(ran)MCT本质上(shang)是一(yi)种晶闸(zha)管(guan)，而且MOS栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)可(ke)以(yi)(yi)关断(duan)阳极(ji)(ji)(ji)电(dian)流，但(dan)MCT又不同(tong)于一(yi)般的(de)(de)(de)(de)可(ke)关断(duan)晶闸(zha)管(guan)（GTO）。因为MCT实际上(shang)是一(yi)种把单(dan)极(ji)(ji)(ji)型(xing)的(de)(de)(de)(de)MOSFET与双极(ji)(ji)(ji)型(xing)的(de)(de)(de)(de)晶闸(zha)管(guan)组(zu)合(he)而成的(de)(de)(de)(de)复合(he)型(xing)器(qi)件，也是一(yi)种所(suo)谓Bi-MOS器(qi)件，所(suo)以(yi)(yi)它具有(you)MOS器(qi)件和(he)双极(ji)(ji)(ji)型(xing)器(qi)件二者的(de)(de)(de)(de)长处：较(jiao)强的(de)(de)(de)(de)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)控制能力(li)，较(jiao)低的(de)(de)(de)(de)驱动功率，较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)开关速(su)度，较(jiao)大功率容(rong)量。

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