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搞懂MOS管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及如何制造詳解-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-04-26 

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搞懂MOS管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及如何制造詳解

MOS管作為半導(dǎo)體領(lǐng)域最基礎(chǔ)的器件之一,無(wú)論是在IC 設(shè)計(jì)里,還是板級(jí)電路應(yīng)用上,都十分廣泛。


MOS管一般是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,或者稱(chēng)是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source(源極)和drain(耗盡層)是可以對(duì)調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱(chēng)的。


MOS管目前尤其在大功率半導(dǎo)體領(lǐng)域,各種結(jié)構(gòu)的 MOS 管更是發(fā)揮著不可替代的作用。作為一個(gè)基礎(chǔ)器件,往往集簡(jiǎn)單與復(fù)雜與一身,簡(jiǎn)單在于它的結(jié)構(gòu),復(fù)雜在于基于應(yīng)用的深入考量。


MOS管元器件半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)詳解

作為半導(dǎo)體器件,它的來(lái)源還是最原始的材料,摻雜半導(dǎo)體形成的P和N型物質(zhì)。


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那么,在半導(dǎo)體工藝?yán)?,如何制造MOS管的?


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這就是一個(gè) NMOS 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,一個(gè)看起來(lái)很簡(jiǎn)單的三端元器件。具體的制造過(guò)程就像搭建積木一樣,在一定的地基(襯底)上依據(jù)設(shè)計(jì)一步步“蓋”起來(lái)。


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MOS 管的符號(hào)描述如下:


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MOS管的工作機(jī)制

以增強(qiáng)型 MOS 管為例,我們先簡(jiǎn)單來(lái)看下 MOS 管的工作原理。


由上圖結(jié)構(gòu)我們可以看到 MOS 管類(lèi)似三極管,也是背靠背的兩個(gè)PN結(jié)!三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區(qū)通過(guò)電子-空穴復(fù)合來(lái)控制CE之間的導(dǎo)通,MOS 管則利用電場(chǎng)來(lái)在柵極形成載流子溝道來(lái)溝通DS之間。


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如上圖,在開(kāi)啟電壓不足時(shí),N區(qū)和襯底P之間因?yàn)檩d流子的自然復(fù)合會(huì)形成一個(gè)中性的耗盡區(qū)。


給柵極提供正向電壓后,P區(qū)的少子(電子)會(huì)在電場(chǎng)的作用下聚集到柵極氧化硅下,最后會(huì)形成一個(gè)以電子為多子的區(qū)域,叫反型層,稱(chēng)為反型因?yàn)槭窃赑型襯底區(qū)形成了一個(gè)N型溝道區(qū)。這樣DS之間就導(dǎo)通了。

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的MOS管開(kāi)啟模擬:


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這是MOS管電流Id隨Vgs變化曲線,開(kāi)啟電壓為1.65V。下圖是MOS管的IDS和VGS與VDS 之間的特性曲線圖,類(lèi)似三極管。


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下面我們先從器件結(jié)構(gòu)的角度看一下MOS管的開(kāi)啟全過(guò)程。

1、Vgs對(duì)MOS管的開(kāi)啟作用


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一定范圍內(nèi)Vgs>Vth,Vds

Vgs為常數(shù)時(shí),Vds上升,Id近似線性上升,表現(xiàn)為一種電阻特性。

Vds為常數(shù)時(shí),Vgs上升,Id近似線性上升,表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。

即曲線左邊


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2、Vds對(duì)MOS管溝道的控制


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當(dāng)Vgs>Vth,Vds

當(dāng)Vds>Vgs-Vth后,我們可以看到因?yàn)镈S之間的電場(chǎng)開(kāi)始導(dǎo)致右側(cè)的溝道變窄,電阻變大。所以電流Id增加開(kāi)始變緩慢。當(dāng)Vds增大一定程度后,右溝道被完全夾斷了!


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此時(shí)DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區(qū),夾斷區(qū)的增大即溝道寬度W減小導(dǎo)致的電阻增大抵消了Vds對(duì)Id的正向作用,因此導(dǎo)致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時(shí)的D端載流子是在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下掃過(guò)耗盡區(qū)達(dá)到S端!


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這個(gè)區(qū)域?yàn)镸OS管的恒流區(qū),也叫飽和區(qū),放大區(qū)。

但是因?yàn)橛袦系勒{(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致溝道長(zhǎng)度 L 有變化,所以曲線稍微上翹一點(diǎn)。

重點(diǎn)備注:MOS管與三極管的工作區(qū)定義差別

三極管的飽和區(qū):輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。

MOS管的飽和區(qū):輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。


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3、擊穿

Vgs 過(guò)大會(huì)導(dǎo)致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。

Vds 過(guò)大會(huì)導(dǎo)致D和襯底之間的反向PN結(jié)雪崩擊穿,大電流直接流入襯底。


三、 MOS管的開(kāi)關(guān)過(guò)程分析

如果要進(jìn)一步了解MOS管的工作原理,剖析MOS管由截止到開(kāi)啟的全過(guò)程,必須建立一個(gè)完整的電路結(jié)構(gòu)模型,引入寄生參數(shù),如下圖。


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t0~t1階段:柵極電流對(duì)Cgs和Cgd充電,Vgs上升到開(kāi)啟電壓Vgs(th),此間,MOS沒(méi)有開(kāi)啟,無(wú)電流通過(guò),即MOS管的截止區(qū)。在這個(gè)階段,顯然Vd電壓大于Vg,可以理解為電容 Cgd 上正下負(fù)。


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t1~t2階段:Vgs達(dá)到Vth后,MOS管開(kāi)始逐漸開(kāi)啟至滿(mǎn)載電流值Io,出現(xiàn)電流Ids,Ids與Vgs呈線性關(guān)系,這個(gè)階段是MOS管的可變電阻區(qū),或者叫線性區(qū)。


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t2~t3階段:在MOS完全開(kāi)啟達(dá)到電流Io后,柵極電流被完全轉(zhuǎn)移到Ids中,導(dǎo)致Vgs保持不變,出現(xiàn)米勒平臺(tái)。在米勒平臺(tái)區(qū)域,處于MOS管的飽和區(qū),或者叫放大區(qū)。


在這一區(qū)域內(nèi),因?yàn)槊桌招?yīng),等效輸入電容變?yōu)椋?+K)Cgd。


米勒效應(yīng)如何產(chǎn)生的:

在放大區(qū)的 MOS管,米勒電容跨接在輸入和輸出之間,為負(fù)反饋?zhàn)饔?。具體反饋過(guò)程為:Vgs增大>mos開(kāi)啟后Vds開(kāi)始下降>因?yàn)槊桌针娙莘答亴?dǎo)致Vgs也會(huì)通過(guò)Cgd放電下降。這個(gè)時(shí)候,因?yàn)橛型獠繓艠O驅(qū)動(dòng)電流,所以才會(huì)保持了Vgs不變,而Vds還在下降。


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t3-t4階段:渡過(guò)米勒平臺(tái)后,即Cgd反向充電達(dá)到Vgs,Vgs繼續(xù)升高至最終電壓,這個(gè)電壓值決定的是MOS管的開(kāi)啟阻抗Ron大小。


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我們可以通過(guò)仿真看下具體過(guò)程:


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由上面的分析可以看出米勒平臺(tái)是有害的,造成開(kāi)啟延時(shí),不能快速進(jìn)入可變電阻區(qū),導(dǎo)致?lián)p耗嚴(yán)重,但是這個(gè)效應(yīng)又是無(wú)法避免的。


目前減小 MOS 管米勒效應(yīng)的幾種措施:

a:提高驅(qū)動(dòng)電壓或者減小驅(qū)動(dòng)電阻,目的是增大驅(qū)動(dòng)電流,快速充電。但是可能因?yàn)榧纳姼袔?lái)震蕩問(wèn)題。


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b:ZVS 零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)是可以消除米勒效應(yīng)的,即在 Vds 為 0 時(shí)開(kāi)啟溝道,在大功率應(yīng)用時(shí)較多。


c:柵極負(fù)電壓驅(qū)動(dòng),增加設(shè)計(jì)成本。


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d: 有源米勒鉗位。即在柵極增加三極管,關(guān)斷時(shí)拉低柵極電壓。


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