半导体器件基础08:MOS管结构和原理(1)

说在开头:关于海森堡和泡利(2)

如果要用一个词来形容泡利,那就是聪明,聪明绝顶。不过他的教父更牛,是哲学大神马赫。泡利1918年刚刚中学毕业,就带着父亲写的推荐信来找索末菲;他要求不上本科了,直接读研究生,索末菲吓了一跳,再一问,原来泡利在高中就已经把大学课程给自学了(想想我自己本科那混混样,真想抽自己两大嘴巴);索末菲就答应了下来,那阵子德国《大百科全书》正在准备编写“广义相对论”的词条,索末菲就让泡利去干。结果泡利写了两百多页,足够出一本书了。后来爱因斯坦看到泡利写的东西,根本不敢相信是一个20岁的小伙子写的。泡利去听爱因斯坦讲座,坐在最后一排,问起问题来火药味十足,闹得爱因斯坦都招架不住。后来爱因斯坦讲座开讲前都会先往最后一排扫一眼,看看泡利来了没有,估计看到泡利就头疼。泡利因此获得了一个人见人怕的外号:上帝之鞭。

爱因斯坦看见泡利进来,心头一颤:这刺头又来作甚?爱因斯坦认真地完成了讲座,所有人都等着他发问,哪知道泡利嘟囔了一句:我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的。对于泡利来说着已经了很高的评价了,他最高的评价是:哦,这竟然没什么错。这就是天才,连另一个物理学天才朗道见到泡利,气焰也要弱上三分。但是这么嚣张的人,也有让他收敛的人,那人就是他的授业恩师:索末菲;索末菲很威严也很和蔼,泡利这么狂傲的人见了索末菲立刻就拘谨了;哪怕日后成了大家,见到导师索末菲一进屋,立刻站起来相迎。

索末菲原来是数学出身,后来转向了物理学,他常常对海森堡这些人说,要想成为优秀的物理学家,有三件事要做:1,学习数学;2,学习数学;3,坚持前两条。泡利、海森堡等一大堆学生就是这么给教育出来的。他最擅长的事就是把别人的理论拿过来用数学加以完善和扩展,对玻尔的原子模型就是这么干的。他还对新的知识特别关注,当年爱因斯坦狭义相对论一发表,他就立刻表示支持,对新鲜事物也接受的非常快。索末菲原本有希望在1922年跟玻尔一同获得诺贝尔物理学奖,但很遗憾没有拿到。据说他前后被提名了80多次诺奖,结果一次都没通过。1919年,他出版了一本书《原子结构和光谱线》,几乎是当时量子论的圣经。

一,MOS管概念

1947年BJT发明后,人们终于可以“随心所欲”的控制半导体开关;但是BJT应用有较大的局限性:1,控制它需要较大的电流(电流驱动);2,由于少子电荷存储的问题(反向恢复时间长)限制了其工作频率。不就之后有人发明了FET,其工作频率要比BJT高的多,而且几乎不需要电流驱动(电压驱动);1960年,有人提出使用金属-氧化物来提升双极性晶体管的特性,从此诞生了MOS管。

MOS管的全称是MOSFET,中文全称就是:金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor);辣这么长的一个名字,我们该怎么来理解它呢?

首先,“金属-氧化物-半导体”(简称:MOS)表现了MOS管的组成及结构:

1. G极(栅极):由金属-氧化物组成(目前栅极导电部分大多采用多晶硅,而非金属),与BJT的B极(基极)不同,MOS管的G极与半导体之间是绝缘的;

2. D极(漏极)和S极(源极):由半导体组成,同BJT类似(具体结构相差很大),所以MOS管主要有:金属(多晶硅),氧化物(绝缘层)和半导体所构成。

其次,“场效应晶体管”(FET)体现了MOS管的工作方式:

1. 场效应:是利用控制输入回路的电场效应(电压)来控制输出回路电流,它利用加在G极(栅极)上电压产生电场,使得沟道上靠近G极形成多数载流子的通道;所以它只有多数载流子参与导电,是单极型晶体管;

2. 晶体管:指以半导体材料为基础的单一元件,它遵循PN结理论与工作原理。

我们从MOSFET的名字中,了解到了它最重要的信息:绝缘栅-场效应-晶体管-开关。不可否认,在这么多半导体分立器件中,对于我来说用的最多的就是MOS管,但我是否真正理解了它的工作原理了?

二,MOS管结构

MOS场效应管分为:增强型和耗尽型;同时由于沟道的不同可分为:N沟道和P沟道。我们接下来根据MOS管的不同结构,来看它们之间的差别。

MOS管从结构上由4部分组成:

1. 电极D:Drain,漏极;

2. 电极G:Gate,栅极;

3. 电极S:Source,源极;

4. 衬底B:衬底B同S极相连。

半导体器件基础08:MOS管结构和原理(1)_第1张图片

这里关于MOS管Symble,有几点说明:

1. MOS管中的寄生二极管是怎么来的,N沟道和P沟道为什么不同?

——由于衬底BS极连接在一起,如上左图N沟道MOS管为例,SB之间等电位,而BD之间是一个PN结(二极管),所以从SD有一个正向寄生二极管。同理P沟道MOS管的寄生二极管方向为DS的寄生二极管

2. Symble中的G、D、S连接关系?

——Symble中中间短横线表示衬底B,表示S与B的连接关系,不管是NMOS或PMOS,S极都和衬底连在一起,在Symble中可以用来判断S极

3. Symble箭头表示什么意思?

——箭头表示MOS管中衬底耗尽层(PN结)的指向,如果是NMOS管衬底的耗尽层(PN结),那么PN结的方向是衬底B指向反型层;同理如果是PMOS,那么PN结方向是反型层指向衬底B,用来判断NMOS还是PMOS;同时箭头与寄生二极管的方向相同。

1,增强型NMOS管

增强型NMOS管是N+P+N的结构,中间为P型衬底,所以沟道在默认情况下并没有“自由电子”可供通电流,同时P型衬底与D和S的交界处会形成两个PN结—“空间电荷区”(耗尽层);接下来我们看下其不同电压条件下的状态:

1. 当Vgs=0V时,DS之间由两个二极管背靠背串联,所以在DS之间加电压不会形成电流,处于断开状态;

2. 当0

3. 当Vgs>Vth时,G极下衬底形成N型电导沟,当DS之间加电压可产生电流;

4. 当Vgs越大,N沟道越宽(“自由电子”浓度越高),DS之间的等效电阻Rds越小,在相同Vds电压作用下,漏极电流越大。

半导体器件基础08:MOS管结构和原理(1)_第2张图片

2,耗尽型NMOS管

耗尽型NMOS管,制造时在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子(带正电),沟道在默认条件下通过电场“吸附”一些“自由电子”,形成导电通道;所以耗尽型NMOS相对增强型NMOS在V-I曲线上,呈现电压偏移特性,需要在Vgs加上负电压才能关闭MOS管;

1. 当Vgs=0V时,就存在导电沟道,如果在DS极之间加电压Vds,就会有Id电流;

2. 当Vgs>0V时,沟道增宽,ID电流进一步增加;

3. 当Vgs<0V时,沟道变窄,加ID电流减少。

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3,PMOS管

P沟道MOS管结构与N沟道MOS管互为对偶关系,此时需要G极带负电才能“吸附”带正电的“空穴”;所以使用PMOS管时VGS、VDS的极性与N沟道刚好相反;

1. P沟道增强型MOS管VGS(th)为负值,当VGS< VGS(th)时导通;

2. P沟道耗尽型MOS管VGS(off)为正,VGS< VGS(off)时导通。

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可能有些朋友又会产生一个疑惑:P型半导体只有 “空穴”,而几乎无“自由电子”,为什么N型衬底在默认情况的沟道通道上有“自由电子”时不能导通,反而需要将“空穴”吸附到沟道通道才能导通呢?

好,我们再强调一次:“空穴”可以等价看成 “正自由电子”,它可以移动,但质量略大于“自由电子”(迁移率较低),有兴趣的朋友再复习下《关于PN结的那些事》,有具体解释和分析。

4,功率MOS管

功率MOS管从字面上理解是为大功率、高耐压应用所设计;在结构上功率MOSFET分为: LDMOS和VDMOS;

所谓LDMOS是指:横向双扩散金属氧化物半导体场效应管;如下图所示。那这样结构的功率MOS管相对普通MOS管有哪些不同呢?

1. 在相同源/漏(S/D)区域注入两次:一次注入浓度较大的砷(5+),另一次注入浓度较小的硼(3+);

2. 在高温推进过程,由于硼(3+)扩散比砷(5+)快,所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远, 从而形成一个有浓度梯度的沟道,沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定;

3. 为增加击穿电压,在源(S)区和漏(D)区之间有一个漂移区,漂移区的杂质浓度比较低,因此当接高压时,漂移区能够承受更高的电压。

LDMOS管的优点:兼容性高,工艺简单,耐高温性能稳定;缺点:单元面积大、成本高,导通电阻和击穿电压折中。LDMOS管是为蜂窝电话技术开发的,用于微波低端大功率发射器件。

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VDMOS是指:纵向双扩散金属氧化物半导体场效应管,其结构同IGBT非常类似(少了一个P型底):

1. 衬底为高掺杂N+,上面为N-的漂移层,再上面为两个连续的P-扩散区,且沟道在P-区域形成;

2. 在P-区域内部扩散形成的两个N+为源极;

3. 硅片表面形成的栅极氧化物,形成高质量的氧化层,从而产生沟道。

VDMOS的优点:导通电阻小、单元面积小;缺点:开启电压高(与MOS兼容性低)、成本高、工艺复杂;VDMOS管广泛应用于各种领域:电机调速、逆变器、开关电源、电子开关,保真音响、汽车电器以及电子镇流器等。

半导体器件基础08:MOS管结构和原理(1)_第6张图片

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