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MOS管
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    搞懂MOS管:MOS管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
  • 搞懂MOS管:MOS管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
  •   發(fā)布日期: 2021-08-15  瀏覽次數(shù): 6,298

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

    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,往往集簡單與復(fù)雜與一身,簡單在于它的結(jié)構(gòu),復(fù)雜在于基于應(yīng)用的深入考量。

     

    因此,作為硬件開發(fā)者,想在電路設(shè)計(jì)上進(jìn)階,搞懂 MOS 管是必不可少的一步,今天來聊聊。

    一、 MOS管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

    作為半導(dǎo)體器件,它的來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)。

    那么,在半導(dǎo)體工藝?yán)铮绾沃圃?MOS 管的?

    這就是一個(gè) NMOS 的結(jié)構(gòu)簡圖,一個(gè)看起來很簡單的三端元器件。具體的制造過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。

    MOS 管的符號(hào)描述為:

    二、 MOS管的工作機(jī)制

    以增強(qiáng)型 MOS 管為例,我們先簡單來看下 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)通過電子-空穴復(fù)合來控制CE之間的導(dǎo)通,MOS 管則利用電場來在柵極形成載流子溝道來溝通DS之間。

    如上圖,在開啟電壓不足時(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)簡單的MOS管開啟模擬:

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

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

    1、Vgs對(duì)MOS管的開啟作用

    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

    2、Vds對(duì)MOS管溝道的控制

    當(dāng)Vgs>Vth,Vds

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

    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)電場的作用下掃過耗盡區(qū)達(dá)到S端!

    這個(gè)區(qū)域?yàn)?MOS 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。

    3、擊穿

    Vgs 過大會(huì)導(dǎo)致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。

    Vds 過大會(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管的開關(guān)過程分析

    如果要進(jìn)一步了解MOS管的工作原理,剖析MOS管由截止到開啟的全過程,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。

    詳細(xì)開啟過程為:

    t0~t1階段:柵極電流對(duì)Cgs和Cgd充電,Vgs上升到開啟電壓Vgs(th),此間,MOS沒有開啟,無電流通過,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)。

    t1~t2階段:Vgs達(dá)到Vth后,MOS管開始逐漸開啟至滿載電流值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)。

    t2~t3階段:在MOS完全開啟達(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)饔谩>唧w反饋過程為:Vgs增大>mos開啟后Vds開始下降>因?yàn)槊桌针娙莘答亴?dǎo)致Vgs也會(huì)通過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。

    t3~t4階段:渡過米勒平臺(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管的開啟阻抗Ron大小。

    我們可以通過仿真看下具體過程:

    由上面的分析可以看出米勒平臺(tái)是有害的,造成開啟延時(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碚鹗巻栴}。

    b:ZVS 零電壓開關(guān)技術(shù)是可以消除米勒效應(yīng)的,即在 Vds 為 0 時(shí)開啟溝道,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。

    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。

    四、 MOS管的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

    上面已經(jīng)詳細(xì)介紹了 MOS 管的工作機(jī)制,那么我們?cè)賮砜?datasheet 這些參數(shù)就一目了然了。

    極限值參數(shù)代表應(yīng)用時(shí)的最高范圍,功耗和散熱是高功率應(yīng)用時(shí)的重點(diǎn)。

    功率應(yīng)用中尤其考慮導(dǎo)通電阻、米勒電容等,高速應(yīng)用中重點(diǎn)考慮寄生電容。

    漏電流的參數(shù)一般影響的是大規(guī)模集成芯片的功耗。

    反向恢復(fù)時(shí)間是一個(gè)重要參數(shù),它表示 MOS 管由開啟到截止的恢復(fù)時(shí)間,時(shí)間太長會(huì)極大影響速度和功耗。

    二極管

    在分立器件NMOS管中,S端一般襯底,所以導(dǎo)致DS之間有一個(gè)寄生二極管。

    但是在集成電路內(nèi)部,S端接低電位或者高電位,不一定接襯底,所以就不存在寄生二極管。

    寄生二極管具有保護(hù) MOS 管的作用,導(dǎo)出瞬間反向的大電流。

    MOS 的驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用設(shè)計(jì)的重點(diǎn),接下來我們聊聊有哪些驅(qū)動(dòng)方式和特點(diǎn)。

    4.1直接驅(qū)動(dòng)

    驅(qū)動(dòng)芯片直接輸出 PWM 波

    特點(diǎn):驅(qū)動(dòng)環(huán)路距離不能太遠(yuǎn),否則因?yàn)榧纳姼薪档烷_關(guān)速度和導(dǎo)致振鈴。另外,一般驅(qū)動(dòng)器也難以提供很大的驅(qū)動(dòng)電流。

    4.2推挽式驅(qū)動(dòng)

    PWM 驅(qū)動(dòng)通過推挽結(jié)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O

    特點(diǎn):實(shí)現(xiàn)較小的驅(qū)動(dòng)環(huán)路和更大的驅(qū)動(dòng)電流,柵極電壓被鉗位在 Vb+Vbe 和 GND 與Vbe 之間。

    4.3柵極驅(qū)動(dòng)加速電路

    并聯(lián)二極管可以分流,但是隨著電壓降低,二極管逐漸失去作用。

    4.4 PNP關(guān)斷電路

    特點(diǎn):PNP 在關(guān)斷時(shí)形成短路放電,但是無法完全為 0,二極管 Don 可以鉗位防止三極管擊穿。

    五、小結(jié)

    以上大概詳細(xì)介紹了MOS管這一半導(dǎo)體基礎(chǔ)元器件的工作原理和應(yīng)用,具體到工作中還需要的是實(shí)際測試和實(shí)驗(yàn),特別是不斷在一些應(yīng)用中,尤其是應(yīng)用問題中加深理解。這樣或許才能真正的把相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)融入到自己的能力中,游刃有余的解決技術(shù)問題。搞技術(shù)嘛,和做人一樣,從小處做,往高處看。


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