搞懂MOS管半导体结(jie)构(gou)及如何(he)制造详解-KIA MOS管

信息来源(yuan)：本站　日期：2020-04-26　

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搞懂MOS管半导体结构及如何制造详解

MOS管(guan)作为半导(dao)体领(ling)域最基础的器件之(zhi)一，无论是在IC 设(she)计里，还(hai)是板级电路(lu)应用(yong)上，都十分广泛。

MOS管(guan)一(yi)般是(shi)金(jin)属(metal)—氧化(hua)物(oxide)—半导体(ti)(semiconductor)场(chang)效应晶体(ti)管(guan)，或者称是(shi)金(jin)属—绝(jue)缘体(ti)(insulator)—半导体(ti)。MOS管(guan)的source（源极(ji)）和drain（耗尽层）是(shi)可以(yi)对(dui)调的，他(ta)们都(dou)是(shi)在P型backgate中形成(cheng)的N型区(qu)。在多数情况下，这(zhei)个(ge)两(liang)(liang)个(ge)区(qu)是(shi)一(yi)样的，即使两(liang)(liang)端对(dui)调也不会影响器件(jian)的性能。这(zhei)样的器件(jian)被(bei)认为是(shi)对(dui)称的。

MOS管(guan)目(mu)前尤其在(zai)(zai)大功(gong)率(lv)半导体领域，各(ge)种结构(gou)(gou)的 MOS 管(guan)更(geng)是发挥着不可替代的作(zuo)用。作(zuo)为一个基(ji)础(chu)器(qi)件，往往集简(jian)单(dan)与(yu)复杂(za)与(yu)一身，简(jian)单(dan)在(zai)(zai)于它的结构(gou)(gou)，复杂(za)在(zai)(zai)于基(ji)于应用的深入考量。

MOS管元器件半导体结构详解

作为半导体器件，它的来源还是最原始(shi)的材料，掺杂(za)半导体形(xing)成(cheng)的P和N型(xing)物质。

MOS管,半导体,元器件

那么，在半导体(ti)工艺里，如何制造(zao)MOS管的？

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这就(jiu)是一(yi)(yi)个 NMOS 的(de)(de)结构简图，一(yi)(yi)个看(kan)起来(lai)很简单的(de)(de)三端元器件。具(ju)体的(de)(de)制造过程(cheng)就(jiu)像搭建积木一(yi)(yi)样(yang)，在(zai)一(yi)(yi)定的(de)(de)地基（衬底）上依据设计一(yi)(yi)步步“盖(gai)”起来(lai)。

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MOS 管的(de)符号描(miao)述如下(xia)：

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MOS管的工作机制

以增(zeng)强(qiang)型 MOS 管为(wei)例，我们先简单来(lai)看下(xia) MOS 管的工(gong)作(zuo)原理(li)。

由上图结(jie)构我(wo)们可以看到 MOS 管(guan)类似三极(ji)(ji)管(guan)，也(ye)是(shi)背靠(kao)背的两个PN结(jie)！三极(ji)(ji)管(guan)的原(yuan)理是(shi)在(zai)偏(pian)置的情况下(xia)注入电流到很薄的基区(qu)通(tong)过电子-空穴复(fu)合(he)来(lai)(lai)(lai)控制CE之(zhi)间(jian)的导通(tong)，MOS 管(guan)则利用电场(chang)来(lai)(lai)(lai)在(zai)栅极(ji)(ji)形(xing)成载(zai)流子沟(gou)道来(lai)(lai)(lai)沟(gou)通(tong)DS之(zhi)间(jian)。

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如(ru)上(shang)图，在开启(qi)电压(ya)不(bu)足时，N区和(he)衬底P之间因(yin)为载(zai)流(liu)子的自然(ran)复合会形成一个中性的耗尽区。

给栅极提供正向电(dian)压后，P区的(de)少子(zi)（电(dian)子(zi)）会(hui)在电(dian)场的(de)作(zuo)用下聚集到(dao)栅极氧化(hua)硅下，最后会(hui)形成一个(ge)以(yi)电(dian)子(zi)为(wei)多子(zi)的(de)区域，叫反型层，称为(wei)反型因为(wei)是在P型衬(chen)底区形成了一个(ge)N型沟道(dao)区。这样DS之间就导通(tong)了。

下图是一个简单的MOS管(guan)开启模拟：

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这是(shi)MOS管(guan)电流Id随Vgs变化曲线，开启电压为1.65V。下图(tu)是(shi)MOS管(guan)的IDS和VGS与VDS 之间(jian)的特性曲线图(tu)，类似(si)三(san)极(ji)管(guan)。

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下(xia)面我们(men)先从器件结构的角度(du)看一下(xia)MOS管的开启全(quan)过程。

1、Vgs对MOS管的开启(qi)作用

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一定范围内Vgs>Vth，Vds

Vgs为常数(shu)时(shi)，Vds上升，Id近似线性上升，表现(xian)为一(yi)种(zhong)电阻(zu)特性。

Vds为常数时，Vgs上升，Id近(jin)似线(xian)性(xing)上升，表现(xian)出一种压控电阻的特性(xing)。

即曲线左(zuo)边

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2、Vds对(dui)MOS管(guan)沟道的(de)控制(zhi)

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当Vgs>Vth，Vds

当Vds>Vgs-Vth后，我们可(ke)以看(kan)到因为DS之间的(de)电场开始导致右侧(ce)的(de)沟道变(bian)窄，电阻变(bian)大(da)。所以电流Id增加开始变(bian)缓慢。当Vds增大(da)一定(ding)程度后，右沟道被完全夹断(duan)了！

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此时(shi)DS之(zhi)间的(de)(de)电压都分布在靠近D端(duan)的(de)(de)夹断(duan)耗尽区(qu)，夹断(duan)区(qu)的(de)(de)增(zeng)大即沟道宽度W减小(xiao)导(dao)(dao)致的(de)(de)电阻(zu)增(zeng)大抵消(xiao)了Vds对Id的(de)(de)正(zheng)向(xiang)作用(yong)，因此导(dao)(dao)致电流Id几乎(hu)不(bu)再随Vds增(zeng)加而(er)变化。此时(shi)的(de)(de)D端(duan)载流子是在强电场的(de)(de)作用(yong)下扫(sao)过耗尽区(qu)达到S端(duan)！

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这(zhei)个区域为MOS管的恒(heng)流区，也叫饱和区，放(fang)大区。

但是因(yin)为有(you)沟(gou)道调制效应(ying)导致沟(gou)道长度 L 有(you)变化，所以曲线稍微上翘(qiao)一点。

重(zhong)点备注：MOS管与三极(ji)管的(de)工(gong)作(zuo)区定义差(cha)别(bie)

三极管的饱和区(qu)：输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 变化。

MOS管的饱和(he)区：输出电(dian)流(liu) Id 不随(sui)输出电(dian)压 Vds 变化。

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3、击穿

Vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。

Vds 过大(da)(da)会导致D和(he)衬底之间的反向(xiang)PN结雪崩击穿，大(da)(da)电流直接流入衬底。

三、 MOS管的开关过程分析

如果(guo)要(yao)进一(yi)步(bu)了(le)解MOS管的(de)工作原理，剖析(xi)MOS管由截止到(dao)开启的(de)全过程，必(bi)须建立一(yi)个完整的(de)电路结构模型(xing)，引入寄生参数，如下图。

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t0~t1阶段：栅极电(dian)(dian)流(liu)对Cgs和Cgd充电(dian)(dian)，Vgs上(shang)升到开(kai)启电(dian)(dian)压Vgs(th)，此(ci)间，MOS没有开(kai)启，无(wu)电(dian)(dian)流(liu)通过，即MOS管(guan)的截止(zhi)区。在这个阶段，显然Vd电(dian)(dian)压大于Vg，可以理解(jie)为电(dian)(dian)容 Cgd 上(shang)正(zheng)下负。

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t1~t2阶段：Vgs达到Vth后，MOS管(guan)开始逐渐开启至满载电流(liu)值Io，出(chu)现(xian)电流(liu)Ids，Ids与Vgs呈线性关系，这(zhei)个(ge)阶段是MOS管(guan)的可变电阻(zu)区，或者叫(jiao)线性区。

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t2~t3阶段：在MOS完全(quan)开启达到(dao)电流(liu)Io后，栅极电流(liu)被完全(quan)转移到(dao)Ids中(zhong)，导(dao)致Vgs保持不变，出现(xian)米(mi)(mi)勒平台(tai)。在米(mi)(mi)勒平台(tai)区(qu)(qu)域，处于(yu)MOS管的饱和区(qu)(qu)，或者叫放(fang)大区(qu)(qu)。

在这一区域内，因(yin)为米勒效应，等效输入(ru)电容变(bian)为（1+K）Cgd。

米勒效应如何产生的：

在(zai)(zai)放大(da)区的 MOS管，米(mi)勒(le)电(dian)容(rong)跨接在(zai)(zai)输入和(he)输出之间，为(wei)负(fu)反馈(kui)作用。具体(ti)反馈(kui)过(guo)(guo)程为(wei)：Vgs增大(da)>mos开启后Vds开始(shi)下降(jiang)>因(yin)为(wei)米(mi)勒(le)电(dian)容(rong)反馈(kui)导致Vgs也会通过(guo)(guo)Cgd放电(dian)下降(jiang)。这(zhei)个时候，因(yin)为(wei)有外部栅极驱动电(dian)流，所以才会保持了Vgs不变，而Vds还(hai)在(zai)(zai)下降(jiang)。

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