【原】MOSFET原理詳解與參數(shù)測試（1）

愛月亮的長頸鹿 2021-08-30

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前言：大家都知道今年芯片缺貨已經(jīng)持續(xù)很久了，電子元器件缺貨影響了很多企業(yè)，包括各種的MCU、電源IC和基本的元器件，工作進行了大量的MOS的替代測試，結(jié)果就是這顆料能買到還好，最尷尬的就是測試還未完成，供應(yīng)鏈就通知你這顆料沒貨了，，，沒貨，，了。借此機會整理了MOS的基礎(chǔ)知識和測試相關(guān)內(nèi)容，和大家一起相互討論和學(xué)習。

1、MOS的由來

MOSFET又叫場效應(yīng)晶體管，要想學(xué)好MOS管，首先我們要對標三極管來學(xué)。我們說，三極管有N管和P管，同樣的，MOS管也有N型和P型。這里重點介紹N型MOSFET。

注釋1:如何區(qū)分NMOS和PMOS？

中間箭頭指向G極的是NMOS，箭頭背向G極的是PMOS。且體二極管的方向始終與箭頭方向保持一致。

管腳

工作條件

相同點

MOS管

G:柵極

D:源極

S:漏極

VGS大于MOS管的開啟電壓Vth

控制極的電流很小，控制信號的內(nèi)阻大；

輸出極的電流很大，輸出信號的內(nèi)阻小。

三極管

b:基極

c:集電極

e:發(fā)射極

Ib、Ic各自必須要有完整的回路，且ic=βib

三極管是一個流控流型的器件，有電流必然會產(chǎn)生損耗，假設(shè)三極管這里的β只有10倍，如果Ic要求是100A，Ib至少要是1A，也就是說控制極就要是1A，如果我有10個，那就需要是10A，那這要很大的電源才能提供如此大的控制極電流，這個電路也就無法設(shè)計。

既然流控型不行，那么能不能做一個壓控型的呢？這個管子的導(dǎo)通不導(dǎo)通只關(guān)注電壓的閾值，那么這個時候就讓電流很小，就能解決這個問題。MOSFET應(yīng)運而生。

對于MOSFET來說，GS內(nèi)部有一個電容存在的。充滿電后，維持住這個電壓，那么就持續(xù)導(dǎo)通了。在充電過程中，是消耗電流和產(chǎn)生功耗的；當充電完成后，電容上是沒有電流的，沒有電流，則沒有損耗。那么，這個時候功耗很低了。

我們再來看一下DS，它之間可以等效成一個可變電阻。這個可變電阻，在關(guān)斷期間時，則阻值無窮大；在開通期間，則阻值無窮小。所以，DS之間也沒有功耗，即使一個很大的Id，但是乘以一個無窮小的電阻，它的功耗就很小。那么，這樣子也實現(xiàn)了放大，但是功耗也小，這就完美解決了三極管的問題。

2、MOS管的導(dǎo)通過程

2、1柵極無電壓

當柵極上沒有加偏置電壓時，源和漏之間存在兩個背靠背的串聯(lián)二極管。一個是由n+漏區(qū)和P型襯底之間的pn結(jié)形成的二極管，另一個是p型襯底與n源區(qū)之間的pn結(jié)形成的二極管。即使DS之間加上電壓，但是柵極無偏置電壓，這兩個背靠背的二極管將阻礙從漏到源的電流的產(chǎn)生。實際上，漏源之間的通路是一個阻值非常高的電阻（在10¹²Ω的數(shù)量級）。

注釋2：NMOS主要構(gòu)造

上圖中p型襯底是一個為器件提供物理支撐（在集成電路中，它為整個電路提供支撐）的單晶硅圓片。在襯底上創(chuàng)建兩個重摻雜的n+源區(qū)和n+漏區(qū)。在源區(qū)和漏區(qū)之間，一薄層二氧化硅覆蓋在p型襯底之上，在氧化層上沉積一層金屬來形成器件的柵極電極。

2、2 施加偏置電壓Vth，創(chuàng)建電流溝道

如下圖所示，其中源極和漏極都接地，只在柵極（G）上加上一個正電壓。因為源極（S）接地，柵極電壓就相當于加在柵極和源極之間的V_GS電壓。柵極電壓首先排斥柵極下面襯底區(qū)域中的空穴（帶正電），并留下載流子耗盡區(qū)域（帶負電）。該耗盡區(qū)域是與受主雜質(zhì)原子相關(guān)聯(lián)的帶負電的束縛電荷。

同時，正柵極電壓從n+源區(qū)和n+漏區(qū)吸引電子進入溝道區(qū)域，當柵極下面的襯底附近積聚了足夠數(shù)量的電子時，就形成一個n型區(qū)，它連接源區(qū)和漏區(qū)。此時在源區(qū)和漏區(qū)之間加上電壓，在n型區(qū)域內(nèi)就會有移動的電子形成的電流通道，此時電流溝道就創(chuàng)建完成，這種mosfe就稱為n溝道m(xù)osfet，或稱為NMOS。PMOS的形成同理。

在溝道區(qū)域積聚足夠數(shù)量的自由電子形成導(dǎo)電溝道時的電壓值稱為開啟電壓/閾值電壓，記為Vth。

2、3 施加一個小的V_DS，并逐步增加V_GS

產(chǎn)生溝道后，在源和漏之間施加一個正電壓V_DS，V_DS電壓引起電流i_D流過n溝道，自由電子從源區(qū)向漏區(qū)流動，因此電流方向為從漏區(qū)指向源區(qū)。i_D的大小取決于溝道中電子密度，而電子密度的大小又取決于V_GS的大小。具體的說，當V_GS=Vth時，剛剛形成溝道，此時的電流非常小可以忽略不計。當V_GS超過Vth時，越來越多的電子被吸引到溝道中，造成電子密度逐步增加，溝道深度逐步增加，結(jié)果就是導(dǎo)致溝道的電阻減小，流過的電流i_D增加。流出源極的電流就等于流入漏極的電流，而柵極電流為0

所以通過下圖我們可以發(fā)現(xiàn)MOSFET在V_DS較小時，D-S之間的電阻值與V_GS電壓成反比，此時的器件就如同一個線性電阻。

2、4 V_GS保持不變時，逐步增加V_DS

此時仍然假定V_GS大于Vth并保持不變，V_DS相當于溝道長度兩端的電壓降，也就是說沿著溝道從源區(qū)到漏區(qū)電壓從0逐步增加到V_DS。因此，在柵極和沿溝道的點之間的電壓從源端的V_GS減小到漏端的V_GS-V_DS，因為溝道深度取決于此電壓，所以此時的溝道深度不在均勻，溝道深度從源區(qū)向漏區(qū)逐步較小。在源端最深，在漏端最窄。隨著V_DS增大，溝道變得越來越尖，并且電阻也相應(yīng)地增加。因此i_D-V_DS曲線不再是直線。，當V_DS增大到使柵極和漏端的電壓差減小為Vth時（即V_GS-V_DS=Vth時），在漏端的溝道深度減為0，溝道被夾斷。繼續(xù)增大V_DS不會對溝道的形狀產(chǎn)生太大影響，此時的i_D也達到了飽和不在增加。