MOS管的8个疑问你会答吗?
0 2023-01-19

1. 为什么E-MOSFET的阈值电压随着半导体衬底掺杂浓度的提高而增大?而随着温度的升高而下降?

【答】E-MOSFET的阈值电压就是使半导体表面产生反型层(导电沟道)所需要加的栅极电压。对于n沟道E-MOSFET,当栅电压使得p型半导体表面能带向下弯曲到表面势ψs≥2ψB时,即可认为半导体表面强反型,因为这时反型层中的少数载流子(电子)浓度就等于体内的多数载流子浓度(~掺杂浓度);这里的ψB是半导体Fermi势,即半导体禁带中央与Fermi能级之差。阈值电压VT包含有三个部分的电压(不考虑衬偏电压时):栅氧化层上的电压降Vox;半导体表面附近的电压降2ΨB:抵消MOS系统中各种电荷影响的电压降——平带电压VF。

在阈值电压的表示式中,与掺杂浓度和温度有关的因素主要是半导体Fermi势ψB。当p型半导体衬底的掺杂浓度NA提高时,半导体Fermi能级趋向于价带顶变化,则半导体Fermi势ψB增大,从而就使得更加难以达到ψs≥2ψB的反型层产生条件,所以阈值电压增大。

当温度T升高时,半导体Fermi能级将趋向于禁带中央变化,则半导体Fermi势ψB减小,从而导致更加容易达到ψs≥2ψB的反型层产生条件,所以阈值电压降低。

2. 为什么E-MOSFET的源-漏电流在沟道夹断之后变得更大、并且是饱和的(即与源-漏电压无关)?

【答】E-MOSFET的沟道夹断是指栅极电压大于阈值电压、出现了沟道之后,源-漏电压使得沟道在漏极端夹断的一种状态。实际上,沟道在一端夹断并不等于完全没有沟道。当栅电压小于阈值电压时,则完全没有沟道,这是不导电的状态——截止状态。而沟道的夹断区由于是耗尽区,增加的源-漏电压也主要是降落在夹断区,则夹断区中存在很强的电场,只要有载流子到达夹断区的边缘,即可被电场拉过、从漏极输出,因此夹断区不但不阻止载流子通过,而相反地却能够很好地导电,所以有沟道、并且沟道在一端夹断的状态,是一种很好的导电状态,则沟道夹断之后的输出源-漏电流最大。

E-MOSFET的沟道在漏极端夹断以后,由于夹断区基本上是耗尽区,则再进一步增加的源-漏电压,即将主要是降落在夹断区,这就使得未被夹断的沟道——剩余沟道的长度基本上保持不变;而在沟道夹断之后的源-漏电流主要是决定于剩余沟道的长度,所以这时的源-漏电流也就基本上不随源-漏电压而变化——输出电流饱和。

3. 为什么短沟道E-MOSFET的饱和源-漏电流并不完全饱和?

【答】对于短沟道MOSFET,引起输出源-漏电流饱和的原因基本上有两种:一种是沟道夹断所导致的电流饱和;另一种是速度饱和所导致的电流饱和。

对于沟道夹断的饱和,因为夹断区的长度会随着其上电压的增大而有所增大,则使得剩余沟道的长度也将随着源-漏电压而减短,从而就会引起源-漏电流相应地随着源-漏电压而有所增大——输出电流不完全饱和。不过,这种电流不饱的程度与沟道长度有关:对于长沟道MOSFET,这种夹断区长度随源-漏电压的变化量,相对于整个沟道长度而言,可以忽略,所以这时沟道夹断之后的源-漏电流近似为“饱和”的;但是对于短沟道MOSFET,这种夹断区长度随源-漏电压的变化量,相对于整个沟道长度而言,不能忽略,所以沟道夹断之后的源-漏电流将会明显地随着源-漏电压的增大而增加——不饱和。

对于速度饱和所引起的电流饱和情况,一般说来,当电场很强、载流子速度饱和之后,再进一步增大源-漏电压,也不会使电流增大。因此,这时的饱和电流原则上是与源-漏电压无关的。

对于短沟道MOSFET,还有一个导致电流不饱和的重要原因,即所谓DIBL(漏极感应源端势垒降低)效应。因为源区与沟道之间总是存在一个高低结所造成的势垒,当源-漏电压越高,就将使得该势垒越低,则通过沟道的源-漏电流越大,因此输出电流不会饱和。

总之,导致短沟道MOSFET电流不饱和的因素主要有沟道长度调制效应和DIBL效应。

4. 为什么E-MOSFET的饱和源-漏电流与饱和电压之间具有平方的关系?

【答】增强型MOSFET(E-MOSFET)的饱和源-漏电流表示式为

饱和电压(VGS-VT)就是沟道夹断时的源-漏电压。在MOSFET的转移特性(IDsat~VGS)曲线上,E-MOSFET的饱和源-漏电流IDsat与饱和电压(VGS-VT)的关系即呈现为抛物线。导致出现这种平方关系的原因有二:

①沟道宽度越大,饱和源-漏电流越大,饱和电压也就越高;

②电流饱和就对应于沟道夹断,而夹断区即为耗尽层,其宽度与电压之间存在着平方根的关系,这就导致以上的平方结果。正因为MOSFET具有如此平方的电流-电压关系,所以常称其为平方率器件。

5. 为什么一般MOSFET的饱和源-漏电流具有负的温度系数?

【答】MOSFET的饱和源-漏电流可表示为

在此关系中,因为材料参数和器件结构参数均与温度的关系不大,则与温度有关的因素主要有二:阈值电压VT和载流子迁移率μn。

由于MOSFET的阈值电压VT具有负的温度系数,所以,随着温度的升高,就使得MOSFET的输出饱和源-漏电流随之增大,即导致电流具有正的温度系数。

而载流子迁移率μn,在室温附近一般将随着温度的升高而下降(主要是晶格振动散射起作用):

式中To=300K,m=1.5~2.0。迁移率的这种温度特性即导致MOSFET的增益因子

也具有负的温度系数。从而,随着温度的升高,迁移率的下降就会导致MOSFET的输出源-漏电流减小,即电流具有负的温度系数。

综合以上阈值电压和载流子迁移率这两种因素的不同影响,则根据MOSFET饱和电流的表示式即可得知:

①当饱和电压(VGS-VT)较大(即VGS>>VT)时,阈值电压温度关系的影响可以忽略,则输出源-漏电流的温度特性将主要决定于载流子迁移率的温度关系,即具有负的温度系数(温度升高,IDS下降);

②当饱和电压(VGS-VT)较小(即VGS~VT)时,则输出源-漏电流的温度特性将主要决定于阈值电压的温度关系,从而具有正的温度系数(温度升高,IDS也增大)。

而对于一般的MOSFET,为了获得较大的跨导,往往把饱和电压(VGS-VT)选取得较大,因此可以不考虑阈值电压的影响,于是饱和源-漏电流通常都具有负的温度系数。也因此,一般的MOSFET都具有一定的自我保护的功能,则可以把多个管芯直接并联起来,也不会出现因电流分配不均匀而引起的失效;利用这种并联管芯的办法即可方便地达到增大器件输出电流的目的(实际上,功率MOSFET就是采用这种措施来实现大电流的)。

6. 为什么MOSFET的饱和区跨导大于线性区的跨导?

【答】饱和区与线性区都是出现了沟道的状态,但是它们的根本差别就在于沟道是否被夹断。电压对沟道宽度的影响是:栅极电压将使沟道宽度均匀地发生变化,源-漏电压将使沟道宽度不均匀地发生变化(则会导致沟道首先在漏极端夹断)。

在线性区时,由于源-漏电压较低,则整个沟道的宽度从头到尾变化不大,这时栅极电压控制沟道导电的能力相对地较差一些,于是跨导较小。同时,随着源-漏电压的增大,沟道宽度的变化增大,使得漏端处的沟道宽度变小,则栅极电压控制沟道导电的能力增强,跨导增大。

而在饱和区时,源-漏电压较高,沟道夹断,即在漏极端处的沟道宽度为0,于是栅极电压控制沟道导电的能力很强(微小的栅极电压即可控制沟道的导通与截止),所以这时的跨导很大。因此,饱和区跨导大于线性区跨导。

可见,沟道越是接近夹断,栅极的控制能力就越强,则跨导也就越大;沟道完全夹断后,电流饱和,则跨导达到最大——饱和跨导。

7. 为什么MOSFET的饱和跨导一般与饱和电压成正比?但为什么有时又与饱和电压成反比?

【答】①在源-漏电压VDS一定时:由E-MOSFET的饱和电流IDsat对栅电压的微分,即可得到饱和跨导gmsat与饱和电压(VGS-VT)成正比:

这种正比关系的得来,是由于饱和电压越高,就意味着沟道越不容易夹断,则导电沟道厚度必然较大,因此在同样栅极电压下的输出源-漏电流就越大,从而跨导也就越大。

②在饱和电流IDsat一定时:饱和跨导gmsat却与饱和电压(VGS-VT)成反比:

这是由于饱和电压越高,就意味着沟道越难以夹断,则栅极的控制能力就越小,即跨导越小。

总之,在源-漏电压一定时,饱和跨导与饱和电压成正比,而在源-漏电流一定时,饱和跨导与饱和电压成反比。

这种相反的比例关系,在其他场合也存在着,例如功耗P与电阻R的关系:当电流一定时,功耗与电阻成正比(P=IV=I2R);当电压一定时,功耗与电阻成反比(P=IV=V2/R)。

8. 为什么MOSFET的线性区源-漏电导等于饱和区的跨导(栅极跨导)?

【答】MOSFET的线性区源-漏电导gdlin和饱和区的栅极跨导gmsat,都是表征电压对沟道导电、即对源-漏电流控制能力大小的性能参数。

在线性区时,沟道未夹断,但源-漏电压将使沟道宽度不均匀;这时源-漏电压的变化,源-漏电导gdlin即表征着在沟道未夹断情况下、源-漏电压对源-漏电流的控制能力,这种控制就是通过沟道宽度发生不均匀变化而起作用的。

而饱和区的栅极跨导——饱和跨导gmsat是表征着在沟道夹断情况下、栅-源电压对源-漏电流的控制能力,这时剩余沟道的宽度已经是不均匀的,则这种控制也相当于是通过沟道宽度发生不均匀变化而起作用的,因此这时的栅极跨导就等效于线性区源-漏电导:

 
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