金属-氧化物-半导体场效应管(MOS-FET)

场效应管

金属-氧化物-半导体场效应管Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor

1.基本知识概述 2.分类、命名、标识、结构 3.基本特性 4. 应用 5.制程及工艺 6.常见失效模式及案例分析7.Derating标准及其测试方法

场效应管

1.1 MOSFET的基本知识

1.1.1概述场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这 种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输 入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单,存在 零温度系数工作点等优点，因而大大地扩展了它的应用范围，特别是在 大规模和超大规模集成电路由于面积仅为双极型三极管的5%,因此得 到了广泛的应用。

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然而由于场效应管输入阻抗很高，栅极的感应电荷不易泻放，且二 氧化硅绝缘层很薄，栅极与衬底间的等效电容很小感应产生的少量电 荷即可形成很高的电压，容易击穿二氧化硅绝缘层而损坏管子。存放 管子时应将栅极和源极短接在一起，避免栅极悬空。进行焊接时烙铁 外壳应接地良好，防止因烙铁漏电而将管子击穿。

本文从场效应管的结构、特性出发，阐述其工作原理、应用、失效条 件、以及 Derating 测试参数、测试方法。

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2.1. 分类、命名、标识、结构

2.1.1按结构分，有两类1. 结型JFET (Junction type Field Effect Transistor) 利用半导体内的电场效应进行工作，也称为体内场效应器件。

a:JFET的概念图

b: JFET的符号 门极的箭头指向为p指向 n方向，分别表示内向为n沟道JFET,外向为p沟道JFET。

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2. 绝缘栅型IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transistor) 也称金属氧化物半导体三极管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET) 根据Vgs=0V时是否有导电沟道MOS管又分为： N沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道增强型 P沟道耗尽型 如图增强型MOS管 (N型及P型导电通道)

各种结构的FET均有门极、源极、漏极3个端子，将这些与双极性晶体管的各端子对应如下表所示。 根据JFET、MOSFET的通道部分的半导体是p型或是n型分别有p沟道元件，n沟道元件两种类型双极性晶体管 集电极 基极 发射极

FET 漏极 栅极 源极

n沟道型JFET与MOSFET结构图比较

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3.1.基本特性3.1.1 JFET的基本特性 首先，门极-源极间电压以0V时考虑(VGS =0)。在此状态下漏极-源极间电压VDS 从0V增加，漏 电流ID几乎与VDS 成比例增加，将此区域称为非饱和区(可变电阻区)。VDS 达到某值以上漏电 流ID 的变化变小，几乎达到一定值。此时的ID 称为饱和漏电流(有时也称漏电流用IDSS 表示。此 区域称为饱和导通区(恒流区)。当VDS过大则进入击穿区。 其次在漏极-源极间加一定的电压VDS (例如0.8V),VGS 值从0开始向负方向增加，ID 的值从IDS

S 开 始慢慢地减少，对某VGS 值ID =0。将此时的VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压，用VGS (off)或Vp表示。n沟道JFET的情况，则VGS (off) 值为负,测量实际的JFET对应ID =0的VGS 因为很困 难。因此实际应用中将达到ID =0.1~10μA 的VGS 定义为VGS (off) 的情况多些。 关于JFET为什么 表示这样的特性，用图3.1.2作以下简单的说明。

3.1.1

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JFET的工作原理用一句话说，就是"漏极-源极间流 经沟道的ID ,用以门极与沟道间的pn结形成的反偏 的门极电压Vgs控制ID "。更正确地说，ID 流经通 路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化， 产生耗尽层扩展变化控制的缘故。 在VGS =0的非饱和区域，图3.1.2(a)表示的耗尽层的 扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场， 源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极 有电流ID 流动。达到饱和区域后，从门极向漏极扩 展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，ID饱和。 将这种状态称为夹断。这意味着耗尽层将沟道的一 部分阻挡，并不是电流被切断。 在耗尽层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想 状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但 是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个耗尽层接 触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速 电子通过耗尽层。如图3.1.2(b)所示的那样，即便再 增加VDS ,因漂移电场的强度几乎不变产生ID 的 饱和现象。 其次，如图3.1.2(c)所示，VGS 向负的方向变化，让 VGS =VGS (off) ,此时耗尽层大致成为覆盖全区域 的状态。而且VDS 的电场大部分加到耗尽层上，将 电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部 分，这更使电流不能流通 3.1.2

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实际的传输特性包括JFET本身的结构参数，例如沟道部分的杂质浓度和载体移动性，以致形状、 尺寸等，作为很麻烦的解析结果可导出如下公式(公式的推导略去)

公式一

作为放大器的通常用法是VGS 、VGS (off) < 0(n沟道),VGS 、VGS (off) >0(p沟道)。公 式一用起来比较困难，多用近似的公式表示如下

公式二 将此式就VGS 改写则得下式

公式三

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若说公式二是作为JFET的解析结果推导出来的，不如说与实际的JFET的特性或者与公式一很一致 的，作为实验公式来考虑好些。图3.1.3表示式一、式二及实际的JFET的正规化传输特性，即以ID /IDSS为纵坐标，VGS /VGS (off) 为横坐标的传输特性。n沟道的JFET在VGS < 0的范围使用时，因 VGS(off) < 0,VGS /VGS(off) >0,但在图3.1.3上考虑与实际的传输特性比较方便起见，将原点向左 方向作为正方向。但在设计半导体电路时，需要使用方便且尽可能简单的近似式或实验式。

公式二

公式一

3.1.3

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3.1.2 MOSFET工

作原理与特性曲线我们知道一般三极管是由输入的电流控 制输出的电流。但对于场效应管，其输 出电流是由输入的电压(或称场电压) 控制，可以认为输入电流极小或没有输 入电流，这使得该器件有很高的输入阻 抗，同时这也是我们称之为场效应管的 原因。 特性曲线 1、转移特性曲线

ID=f(VGS) VDS=const

2、输出特性曲线 ID=f(VDS) VGS=const 三区：

可变电阻区(饱和区)恒流区(放大区) 夹断区(截止区)

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工作原理 1、开启沟道(当VDS=0) VGS控制沟道宽窄

0V

窄 VGS=VT (开启电压) 反型层

增强型MOS管

+

宽

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当VGS=Constant

VDS的 控制 作用

0

电位梯度 楔形沟道 预夹断

+

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3.1.3 主要参数(1) 直流参数① VT——开启电压 (增强型) |VDS=const

VGS VT

时，I D 0

② IDSS——饱和漏极电流 VGS=0时所对应的最大ID ③ RGS——输入电阻 约109~1015Ω(2) 交流参数 ① gm ——低频跨导

反映VGS对ID的控制作用 gm= ID/ VGS VDS=const (单位mS) (毫西门子)

gm可以在转 移特性曲线上求取，即曲线的斜率

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(3) 安全参数 ① UBRXX——反向击穿电压 XX:GS、DS ② PDM——最大漏极功耗 由PDM= VDS ID决定 做开关管使用时目前用Ron ID2 评估

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伏安特性曲线比较表图示为各类场效应三极管的特性曲线 N 沟 道 绝 增 缘 强 型

栅 场 效 应 管

P 沟 道 增 强 型

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绝 缘 栅 场 效 应 管

N 沟 道 耗 尽 型

P 沟 道 耗 尽 型

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结 型 场 效 应 管

N 沟 道 耗 尽 型

P 沟 道 耗 尽 型

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3.2 双极型和场效应型三极管的比较

双极型三极管结构 NPN型

场效应管(单极型三极管)结型耗尽型 N沟道 P沟道 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 D与S有的型号可倒置使用 多子漂移 电压输入 电压控制电流源VCCS(gm)

PNP型C与E一般不可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 输入量 控制 电流输入 电流控制电流源CCCS(β)

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双极型三极管噪声 较大温度特性 受温度影响较大 输入电阻 几十到几千欧姆 静电影响 不受静电影响

场效应三极管较小较小，可有零温度系数点 几兆欧姆以上 易受静电影响 适宜大规模和超大规模集成

集成工艺 不易大规模集成

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4.1

FET放大电路应用

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双极型三极管

场效应三极管

CCCS两点不同：

VCCS

受控源类型

偏置电路

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