MOSFET由MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體)+FET(Field Effect Transistor場效應晶體管)這個兩個縮寫組成。即通過給金屬層(M-金屬鋁)的柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)的源極施加電壓，產(chǎn)生電場的效應來控制半導體(S)導電溝道開關的場效應晶體管。由于柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，MOSFET因此又被稱為絕緣柵型場效應管。

市面上大家所說的功率場效應晶體管通常指絕緣柵MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)。實際上場效應管分為結型和絕緣柵兩種不同的結構。場效應管是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。它僅靠半導體中的多數(shù)載流子導電，又稱為單極型晶體管。結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(Static Induction Transistor-SIT)。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。MOSFET功率場效應晶體管，大多數(shù)用作開關和驅動器，工作于開關狀態(tài)，耐壓從幾十伏到上千伏，工作電流可達幾安培到幾十安。功率MOSFET基本上都是增強型MOSFET，它具有優(yōu)良的開關特性。

MOSFET的分類

MOSFET的種類：按導電溝道類型可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：

耗盡型-當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道；

增強型-對于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導電溝道;

功率MOSFET主要是N溝道增強型。

MOS管結構原理圖解(以N溝道增強型為例)

N溝道增強型MOS管結構如圖5所示。它以一塊低摻雜的P型硅片為襯底，利用擴散工藝制作兩個高摻雜的N+區(qū)，并引入兩個電極分別為源極S(Source)和漏極D(Drain),半導體上制作一層SiO2絕緣層，再在SiO2上面制作一層金屬鋁Al，引出電極，作為柵極G(Gate)。通常將襯底與源極接在一起使用。這樣，柵極和襯底各相當于一個極板，中間是絕緣層，形成電容。當柵-源電壓變化時，將改變襯底靠近絕緣層處感應電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

MOS管工作原理詳解(N溝道增強型為例)

1、當柵-源之間不加電壓時即VGS=0時，源漏之間是兩只背向的PN結。不管VDS極性如何，其中總有一個PN結反偏，所以不存在導電溝道。

2、當UDS=0且UGS>0時，由于SiO2的存在，柵極電流為零。但是柵極金屬層將聚集正電荷．它們排斥P型襯底靠近SiO2一側的空穴，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層，如圖6所示

功率MOSFET的基本特性

1.1靜態(tài)特性；其轉移特性和輸出特性。

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性，ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs

MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）。電力MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

1.2動態(tài)特性；其測試電路和開關過程波形。

開通過程；開通延遲時間td(on) —up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段；

上升時間tr— uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段；

iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。

開通時間ton—開通延遲時間與上升時間之和。

關斷延遲時間td(off) —up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小為零的時間段。

下降時間tf— uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS

關斷時間toff—關斷延遲時間和下降時間之和。

1.3 MOSFET的開關速度。

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系，使用者無法降低Cin， 但可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度，MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速，開關時間在10— 100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。

場控器件靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。

2.1動態(tài)性能的改進

在器件應用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應用中如何保護器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組 合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導通區(qū)的擴展問題，所以也帶來相當嚴格的限制。

功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來估量。但盡管如此，它也存在動態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結構來予以理解。

圖4是功率MOSFET的結構和其相應的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個二極管。同時從某個角度 看、它還存在一個寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣）。這幾個方面，是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。

首先MOSFET結構中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復雪崩能力來表達。當反向di/dt很大時，二極管會承受一個速 度非常快的脈沖尖刺，它有可能進入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結二極管來說，仔細研究其動態(tài)特性是相當復雜的。它們和 我們一般理解PN結正向時導通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當電流迅速下降時，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時間。PN結要求迅速導 通時，也會有一段時間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復雜性。

功率MOSFET的設計過程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其 措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB盡量小。因為只有在漏極N區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區(qū)建立正偏的條件時，寄生的雙極性晶閘管 才開始發(fā)難。然而在嚴峻的動態(tài)條件下，因dv/dt通過相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時對功率MOSFET器件內部的各個電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關的，這方面在應用中應給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應的問題。

二、功率MOSFET的導通電阻-晶圓級測量

為了保證Kelvin阻值測量的精度，需要考慮幾項重要的因素：(1)待測器件（DUT）的幾何形狀；(2)到器件的接線；(3)材料的邊界；(4)各種材料（包括接線）的體電阻率。

一種測量RDS(on)的典型方法是在卡盤（Chuck）和接觸晶圓頂部的探針之間產(chǎn)生電流。另一種方法是在晶圓的背面使用探針來代替卡盤。這種方法可以精確到2.5mΩ。

一種較大的誤差來源于晶圓和卡盤之間的接觸（如圖1所示）。因為卡盤上以及晶圓背面粗糙不平，所以只有在個別點進行電氣連接。晶圓和卡盤之間的接觸電阻的數(shù)值足以給RDS(on)的測量引入較大的誤差。僅僅重新放置卡盤上晶圓的位置就會改變接觸區(qū)域并影響RDS(on)的測量結果。

圖1典型的測量結構，橫截面視圖

另一種測量偏差來源是探針的布局。如果移動了強制電流探針，電流的分布模式將發(fā)生變化。這會改變電壓梯度模式，而且會改變電壓檢測探針處的電壓。

三、功率MOSFET的導通電阻-相鄰晶粒方法

需要的設備包括：(1)帶有6個可用探針的探針臺；(2)電壓計；(3)電流源。將晶圓和導電的卡盤隔離開這一點非常重要。如果晶圓與卡盤存在接觸，那么這種接觸將造成電流以平行于基底的方式流動，改變了測量結果?？梢杂靡粡埣垖⒕A和卡盤隔離開。

到漏極的連接是通過在待測器件的另一側使用相鄰的完全相同的器件來實現(xiàn)的。內部晶圓結構要比晶圓和卡盤之間的連接牢固得多。因此，相鄰晶粒方法要比傳統(tǒng)的RDS(on)測量方法精確得多。

圖2顯示了測量的結構。3個MOSFET和6個探針均在圖中顯示出來，電接觸則示意性地畫出。中間的MOSFET是待測器件。

圖2 RDS(on)測量結構

顯示的極性屬于N溝道MOSFET。漏極電流受限于探針的電流傳輸能力。左側的MOSFET的作用是在待測器件的漏極側施加電流。待測器件右側的MOSFET用于測量漏極電壓。

在MOSFET中，如果柵極開啟，而且漏極到源極之間沒有電流，那么漏極和源極的電壓相等。這種方法就利用這個原理來測量探針D上的漏極電壓。

柵極偏壓被連接在探針C和E之間。如果連接在探針B和E之間，那么探針B和源極焊盤之間的電壓降會降低待測器件上的實際柵極電壓。因為在RDS(on)測量過程中沒有電流通過，所以探針C上不存在電壓降。

相鄰晶粒方法確實需要右側的MOSFET（在探針D和F之間）處于工作狀態(tài)。如果這個晶粒上的柵極和源極被短路，那么測量結果可能不正確。

RDS(on)的取值是通過計算Vdc/IAB得到的，但是也可以得到更加精確的RDS(on)取值。

四、功率MOSFET的導通電阻-FEA輔助確定RDS(on)測量值

盡管相鄰晶粒法很精確，但是它并不能給出RDS(on)完全精確的測量值。為了得到僅由有源區(qū)貢獻的RDS(on)，可以將測量結果與仿真進行對比。有限元分析（FEA）軟件可以用來為測量結構建模。一旦建立了有源區(qū)電阻和RDS(on)測量值之間的關系，就可以根據(jù)測量結果確定有源區(qū)的電阻。

仿真模型是3個MOSFET和晶圓的一部分的三維表示。在有限元模型中，有源區(qū)電阻是已知的。FEA軟件用來對測試結構建模并計算RDS(on)測量結果。仿真過程進行兩次，使用兩個不同的有源區(qū)電阻值來計算結果。因為響應的線性相當好，所以電阻值是任意選取的。對每種晶粒的尺寸，這種仿真只需要進行一次。利用仿真測量結果和實際有源區(qū)的電阻之間的關系，可以得到一個公式，用來根據(jù)相鄰晶粒方法的測量值計算有源區(qū)電阻。

五、功率MOSFET的導通電阻-相鄰晶粒方法2

有幾項因素會給測量引入誤差。最重要的因素是探針的位置以及基底的電阻率。

從仿真結果可以看出，有些因素對測量結果的影響非常小?；椎暮穸韧ǔＪ?00μm。厚度從175μm變化到225μm只會給RDS(on)帶來1%的誤差（仿真的測量結果）。同樣，背墊金屬表面電阻的變化對結果的影響也不會超過1%。仿真得到的一項驚人的結果表明，頂部金屬厚度和電阻率對結果的影響也可以忽略不計。

基底電阻率的變化會給RDS(on)測量結果帶來線性響應。圖3顯示了遠遠超出實際基底正常分布的基底電阻率。這樣做是為了顯示響應是線性的。

圖3由于基底電阻率造成的仿真結果的誤差

探針在待測器件上的擺放位置必須保持一致。探針位置的變化會造成測量結果的變化。待測器件左側和右側器件上探針的位置（見圖2中的A和D）也會影響測量結果，但是影響沒有前者大。造成這種測量誤差的原因在于頂部金屬的表面電阻大于0。

將探針B或C從源極焊盤中心向邊緣移動會導致較大的誤差。圖4顯示了移動探針B或C所產(chǎn)生的誤差。每條線表示RDS(on) 2%的誤差。在繪制這張圖時，使用了5μm×5μm的網(wǎng)格。每次只移動一個探針的位置。

圖4探針位置所引起的誤差

相鄰晶粒方法是一種成本低廉、精確地以晶圓形式測量MOSFET有源區(qū)的RDS(on)的方法。它在檢測不同批次晶圓的差別方面非常有用。

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