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了解 MOSFET:结构、工作原理和关键概念

MOSFET的基本结构

MOSFET是一种 MOS 结构,每侧有两个触点。

No current flow

无电流

通过控制栅极,我们可以打开和关闭沟道。当栅极打开时,电子会出现在沟道区域。

> 薄电子层(沟道)连接源极和漏极。

The thin electron layer (the channel) connects source and drain.

阻塞模式

在阻塞操作(栅极关闭,无沟道)中,漏极和 p 衬底(通过体与源极连接)之间存在耗尽区。

Section image

高阻断电压的要求

高电场会导致雪崩效应。然而,高阻断电压需要较大的耗尽区面积。此外,耗尽区不能延伸到源极,以避免击穿电流。

需要大范围的损耗区域

Need a wide depletion region

对开启状态电阻的影响

然而,宽沟道 MOSFET 也具有长沟道:

a wide MOSFET also has a long channel

这会增加导通电阻 Rpson。

幸运的是,还有更好的方案。

漏极扩展型 MOSFET

我们可以通过引入低掺杂的 n 区离子来缩短沟道。

shorten the channel by introducing a lowly doped n- region

> 降低 Rpson

然而,在阻塞模式下,耗尽区会延伸到低掺杂的 n区。

Wide depletion region, high breakdown voltage

宽耗尽区,高击穿电压

垂直DMoS

通过增加排水接触面积进行进一步优化:

Further optimization by increasing the drain contact area:

注:n+层比图中所示要厚得多。(制造过程始于一块厚厚的、高掺杂n+的晶片,然后在该晶片上沉积低掺杂n-漂移区。)

开启和关闭状态

Section image

饱和

在一定的漏源电压下,p型体区和n型漂移区之间的耗尽区合并(夹断)。此时,电流不再增加:饱和。

Section image

这样还可以保护栅极免受高电压的影响。

> 栅极氧化层可以很薄(对于垂直DMOS而言)

沟槽式 MOSFET

目前普遍采用沟槽式 MOSFET。

Section image

> 不再存在 JFET 效应(平面 MOSFET 中相邻 p 型体之间的夹断效应)

> 单位面积内可实现更高的沟道密度(沟道不再受硅表面限制,沟槽表面积可以更大)。

电容

MOSFET 是单极器件(除了体二极管)。开关速度主要取决于寄生电容的充放电。

Some depend on the depletion region width, i.e. on VDS.

有些取决于耗尽区宽度,即 VDS。

取决于操作点:

Section image

注意,对于负栅源电压,输入电容(尤其是 CGs)会进一步增加。这是因为如果 VGS 变为负值,则p 体中会发生积累。

Section image

该积累层也可以进入耗尽区成为 n+ 源,从而扩大对 CG 有贡献的区域。


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