搞懂MOS管半导体结构与如何制造详解

MOS管作为半导体领域最基础的器件之一，无论是在IC 设计里，还是板级电路应用上，都十分广泛。

MOS管一般是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。MOS管的source（源极）和drain（耗尽层）是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

MOS管目前尤其在大功率半导体领域，各种结构的 MOS 管更是发挥着不可替代的作用。作为一个基础器件，往往集简单与复杂与一身，简单在于它的结构，复杂在于基于应用的深入考量。

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的材料，掺杂半导体形成的P和N型物质。

那么，在半导体工艺里，如何制造MOS管的？

这就是一个 NMOS 的结构简图，一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样，在一定的地基（衬底）上依据设计一步步“盖”起来。

MOS 管的符号描述如下：

MOS管的工作机制

以增强型 MOS 管为例，我们先简单来看下 MOS 管的工作原理。

由上图结构我们可以看到 MOS 管类似三极管，也是背靠背的两个PN结！三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制CE之间的导通，MOS 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。

如上图，在开启电压不足时，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。

给栅极提供正向电压后，P区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。这样DS之间就导通了。

下图是一个简单的MOS管开启模拟：

这是MOS管电流Id随Vgs变化曲线，开启电压为1.65V。下图是MOS管的IDS和VGS与VDS 之间的特性曲线图，类似三极管。

下面我们先从器件结构的角度看一下MOS管的开启全过程。

1、Vgs对MOS管的开启作用

一定范围内Vgs>Vth，Vds

Vgs为常数时，Vds上升，Id近似线性上升，表现为一种电阻特性。

Vds为常数时，Vgs上升，Id近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。

即曲线左边

2、Vds对MOS管沟道的控制

当Vgs>Vth，Vds

当Vds>Vgs-Vth后，我们可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断了！

此时DS之间的电压都分布在靠近D端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度W减小导致的电阻增大抵消了Vds对Id的正向作用，因此导致电流Id几乎不再随Vds增加而变化。此时的D端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到S端！

这个区域为MOS管的恒流区，也叫饱和区，放大区。

但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 L 有变化，所以曲线稍微上翘一点。

重点备注：MOS管与三极管的工作区定义差别

三极管的饱和区：输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 变化。

MOS管的饱和区：输出电流 Id 不随输出电压 Vds 变化。

3、击穿

Vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。

Vds 过大会导致D和衬底之间的反向PN结雪崩击穿，大电流直接流入衬底。

三、 MOS管的开关过程分析

如果要进一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到开启的全过程，必须建立一个完整的电路结构模型，引入寄生参数，如下图。

t0~t1阶段：栅极电流对Cgs和Cgd充电，Vgs上升到开启电压Vgs(th)，此间，MOS没有开启，无电流通过，即MOS管的截止区。在这个阶段，显然Vd电压大于Vg，可以理解为电容 Cgd 上正下负。

t1~t2阶段：Vgs达到Vth后，MOS管开始逐渐开启至满载电流值Io，出现电流Ids，Ids与Vgs呈线性关系，这个阶段是MOS管的可变电阻区，或者叫线性区。

t2~t3阶段：在MOS完全开启达到电流Io后，栅极电流被完全转移到Ids中，导致Vgs保持不变，出现米勒平台。在米勒平台区域，处于MOS管的饱和区，或者叫放大区。

在这一区域内，因为米勒效应，等效输入电容变为（1+K）Cgd。

米勒效应如何产生的：

在放大区的 MOS管，米勒电容跨接在输入和输出之间，为负反馈作用。具体反馈过程为：Vgs增大>mos开启后Vds开始下降>因为米勒电容反馈导致Vgs也会通过Cgd放电下降。这个时候，因为有外部栅极驱动电流，所以才会保持了Vgs不变，而Vds还在下降。

t3-t4阶段：渡过米勒平台后，即Cgd反向充电达到Vgs，Vgs继续升高至最终电压，这个电压值决定的是MOS管的开启阻抗Ron大小。

我们可以通过仿真看下具体过程：

由上面的分析可以看出米勒平台是有害的，造成开启延时，不能快速进入可变电阻区，导致损耗严重，但是这个效应又是无法避免的。

目前减小 MOS 管米勒效应的几种措施：

a：提高驱动电压或者减小驱动电阻，目的是增大驱动电流，快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题。

b:ZVS 零电压开关技术是可以消除米勒效应的，即在 Vds 为 0 时开启沟道，在大功率应用时较多。

c:栅极负电压驱动，增加设计成本。

d: 有源米勒钳位。即在栅极增加三极管，关断时拉低栅极电压。

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