MOS 管的半導體結構

MOS 管作為半導體領域最基礎的器件之一，無論是在IC 設計里，還是板級電路應用上，都十分廣泛。

目前尤其在大功率半導體領域，各種結構的 MOS 管更是發揮著不可替代的作用。作為一個基礎器件，往往集簡單與復雜與一身，簡單在于它的結構，復雜在于基于應用的深入考量。

因此，作為硬件開發者，想在電路設計上進階，搞懂 MOS 管是必不可少的一步，今天來聊聊。

一、 MOS 管的半導體結構

作為半導體器件，它的來源還是最原始的材料，摻雜半導體形成的 P 和 N 型物質。

那么，在半導體工藝里，如何制造 MOS 管的？

這就是一個 NMOS 的結構簡圖，一個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）上依據設計一步步“蓋”起來。

MOS 管的符號描述為：

二、 MOS 管的工作機制

以增強型 MOS 管為例，我們先簡單來看下 MOS 管的工作原理。

由上圖結構我們可以看到 MOS 管類似三極管，也是背靠背的兩個PN結！三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區通過電子-空穴復合來控制CE之間的導通，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，N區和襯底P之間因為載流子的自然復合會形成一個中性的耗盡區。

給柵極提供正向電壓后，P區的少子（電子）會在電場的作用下聚集到柵極氧化硅下，最后會形成一個以電子為多子的區域，叫反型層，稱為反型因為是在P型襯底區形成了一個N型溝道區。這樣DS之間就導通了。

下圖是一個簡單的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構的角度看一下MOS管的開啟全過程。

1、Vgs 對MOS 管的開啟作用

一定范圍內 Vgs》Vth，Vds

Vgs 為常數時，Vds 上升，Id 近似線性上升，表現為一種電阻特性。

Vds 為常數時，Vgs 上升，Id 近似線性上升，表現出一種壓控電阻的特性。

即曲線左邊

2、Vds對MOS管溝道的控制

當Vgs》Vth，Vds

當Vds》Vgs-Vth后，我們可以看到因為DS之間的電場開始導致右側的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開始變緩慢。當Vds增大一定程度后，右溝道被完全夾斷了！

此時DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區，夾斷區的增大即溝道寬度W減小導致的電阻增大抵消了Vds對Id的正向作用，因此導致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時的D端載流子是在強電場的作用下掃過耗盡區達到S端！

這個區域為 MOS 管的恒流區，也叫飽和區，放大區。

但是因為有溝道調制效應導致溝道長度 L 有變化，所以曲線稍微上翹一點。

重點備注：MOS 管與三極管的工作區定義差別

三極管的飽和區：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。

MOS 管的飽和區：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。

3、擊穿

Vgs 過大會導致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。

Vds 過大會導致D和襯底之間的反向PN結雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。

三、 MOS 管的開關過程分析

如果要進一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到開啟的全過程，必須建立一個完整的電路結構模型，引入寄生參數，如下圖。

詳細開啟過程為：

t0~t1階段：柵極電流對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。在這個階段，顯然Vd電壓大于Vg，可以理解為電容 Cgd 上正下負。

t1~t2 階段：Vgs達到Vth后，MOS管開始逐漸開啟至滿載電流值Io，出現電流Ids，Ids與Vgs呈線性關系，這個階段是MOS管的可變電阻區，或者叫線性區。

t2~t3階段：在MOS完全開啟達到電流Io后，柵極電流被完全轉移到Ids中，導致Vgs保持不變，出現米勒平臺。在米勒平臺區域，處于MOS管的飽和區，或者叫放大區。

在這一區域內，因為米勒效應，等效輸入電容變為（1+K）Cgd。

米勒效應如何產生的：

在放大區的 MOS管，米勒電容跨接在輸入和輸出之間，為負反饋作用。具體反饋過程為：Vgs 增大》mos開啟后Vds開始下降》因為米勒電容反饋導致Vgs 也會通過Cgd放電下降。這個時候，因為有外部柵極驅動電流，所以才會保持了Vgs 不變，而Vds還在下降。

t3~t4階段：渡過米勒平臺后，即Cgd反向充電達到Vgs，Vgs繼續升高至最終電壓，這個電壓值決定的是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是有害的，造成開啟延時，不能快速進入可變電阻區，導致損耗嚴重，但是這個效應又是無法避免的。

目前減小 MOS 管米勒效應的幾種措施：

a：提高驅動電壓或者減小驅動電阻，目的是增大驅動電流，快速充電。但是可能因為寄生電感帶來震蕩問題。

b： ZVS 零電壓開關技術是可以消除米勒效應的，即在 Vds 為 0 時開啟溝道，在大功率應用時較多。

c： 柵極負電壓驅動，增加設計成本。

d： 有源米勒鉗位。即在柵極增加三極管，關斷時拉低柵極電壓。

四、MOS 管的驅動應用

上面已經詳細介紹了 MOS 管的工作機制，那么我們再來看 datasheet 這些參數就一目了然了。

極限值參數代表應用時的最高范圍，功耗和散熱是高功率應用時的重點。

功率應用中尤其考慮導通電阻、米勒電容等，高速應用中重點考慮寄生電容。

漏電流的參數一般影響的是大規模集成芯片的功耗。

反向恢復時間是一個重要參數，它表示 MOS 管由開啟到截止的恢復時間，時間太長會極大影響速度和功耗。

體二極管：

在分立器件NMOS管中，S端一般襯底，所以導致DS之間有一個寄生二極管。

但是在集成電路內部，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 MOS 管的作用，導出瞬間反向的大電流。

MOS 的驅動是應用設計的重點，接下來我們聊聊有哪些驅動方式和特點。

4.1 直接驅動

驅動芯片直接輸出 PWM 波

特點：驅動環路距離不能太遠，否則因為寄生電感降低開關速度和導致振鈴。另外，一般驅動器也難以提供很大的驅動電流。

4.2 推挽式驅動

PWM 驅動通過推挽結構來驅動柵極

特點：實現較小的驅動環路和更大的驅動電流，柵極電壓被鉗位在 Vb+Vbe 和 GND 與Vbe 之間。

4.3 柵極驅動加速電路

并聯二極管可以分流，但是隨著電壓降低，二極管逐漸失去作用。

4.4 PNP關斷電路

特點：PNP 在關斷時形成短路放電，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

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

參考：

Power MOSFET Avalanche Guideline----SungmoYoung， Application Engineer

Analysis of dv/dt Induced Spurious Turn-onof MOSFET

Prediction of MOS switching-off loss basedon parameters of datasheet

Power MOS FET Application Note

Design And Application Guide for HighSpeedMOSFET Gate Drive Circuits
編輯：lyn