MOSFET結(jié)構(gòu)、原理及測(cè)試

MOSFET由MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體)+FET(Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管)這個(gè)兩個(gè)縮寫(xiě)組成。即通過(guò)給金屬層(M-金屬鋁)的柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)的源極施加電壓，產(chǎn)生電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體(S)導(dǎo)電溝道開(kāi)關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，MOSFET因此又被稱(chēng)為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。

市面上大家所說(shuō)的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常指絕緣柵MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡(jiǎn)稱(chēng)功率MOSFET(Power MOSFET)。實(shí)際上場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵兩種不同的結(jié)構(gòu)。場(chǎng)效應(yīng)管是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱(chēng)為單極型晶體管。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor-SIT)。其特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，大多數(shù)用作開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，耐壓從幾十伏到上千伏，工作電流可達(dá)幾安培到幾十安。功率MOSFET基本上都是增強(qiáng)型MOSFET，它具有優(yōu)良的開(kāi)關(guān)特性。

MOSFET的分類(lèi)

MOSFET的種類(lèi)：按導(dǎo)電溝道類(lèi)型可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：

耗盡型-當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；

增強(qiáng)型-對(duì)于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道;

功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

MOS管結(jié)構(gòu)原理圖解(以N溝道增強(qiáng)型為例)

N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)如圖5所示。它以一塊低摻雜的P型硅片為襯底，利用擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜的N+區(qū)，并引入兩個(gè)電極分別為源極S(Source)和漏極D(Drain),半導(dǎo)體上制作一層SiO2絕緣層，再在SiO2上面制作一層金屬鋁Al，引出電極，作為柵極G(Gate)。通常將襯底與源極接在一起使用。這樣，柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板，中間是絕緣層，形成電容。當(dāng)柵-源電壓變化時(shí)，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

MOS管工作原理詳解(N溝道增強(qiáng)型為例)

1、當(dāng)柵-源之間不加電壓時(shí)即VGS=0時(shí)，源漏之間是兩只背向的PN結(jié)。不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，所以不存在導(dǎo)電溝道。

2、當(dāng)UDS=0且UGS>0時(shí)，由于SiO2的存在，柵極電流為零。但是柵極金屬層將聚集正電荷．它們排斥P型襯底靠近SiO2一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層，如圖6所示

功率MOSFET的基本特性

1.1靜態(tài)特性；其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs

MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）。電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

1.2動(dòng)態(tài)特性；其測(cè)試電路和開(kāi)關(guān)過(guò)程波形。

開(kāi)通過(guò)程；開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) —up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段；

上升時(shí)間tr— uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段；

iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。

開(kāi)通時(shí)間ton—開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) —up下降到零起，Cin通過(guò)Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開(kāi)始減小為零的時(shí)間段。

下降時(shí)間tf— uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS

關(guān)斷時(shí)間toff—關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。

1.3 MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系，使用者無(wú)法降低Cin， 但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度，MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速，開(kāi)關(guān)時(shí)間在10— 100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。

場(chǎng)控器件靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

2.1動(dòng)態(tài)性能的改進(jìn)

在器件應(yīng)用時(shí)除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應(yīng)用中如何保護(hù)器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當(dāng)然晶閘管是兩個(gè)雙極型晶體管的組 合，又加上因大面積帶來(lái)的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對(duì)di/dt來(lái)說(shuō)，它還存在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問(wèn)題，所以也帶來(lái)相當(dāng)嚴(yán)格的限制。

功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來(lái)估量。但盡管如此，它也存在動(dòng)態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)來(lái)予以理解。

圖4是功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度 看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個(gè)晶閘管一樣）。這幾個(gè)方面，是研究MOSFET動(dòng)態(tài)特性很重要的因素。

首先MOSFET結(jié)構(gòu)中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復(fù)雪崩能力來(lái)表達(dá)。當(dāng)反向di/dt很大時(shí)，二極管會(huì)承受一個(gè)速 度非常快的脈沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結(jié)二極管來(lái)說(shuō)，仔細(xì)研究其動(dòng)態(tài)特性是相當(dāng)復(fù)雜的。它們和 我們一般理解PN結(jié)正向時(shí)導(dǎo)通反向時(shí)阻斷的簡(jiǎn)單概念很不相同。當(dāng)電流迅速下降時(shí)，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復(fù)時(shí)間。PN結(jié)要求迅速導(dǎo) 通時(shí)，也會(huì)有一段時(shí)間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會(huì)增加作為多子器件的MOSFET的復(fù)雜性。

功率MOSFET的設(shè)計(jì)過(guò)程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其 措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB盡量小。因?yàn)橹挥性诼ON區(qū)下的橫向電阻流過(guò)足夠電流為這個(gè)N區(qū)建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管 才開(kāi)始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動(dòng)態(tài)條件下，因dv/dt通過(guò)相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時(shí)這個(gè)寄生的雙極性晶體管就會(huì)起動(dòng)，有可能給MOSFET帶來(lái)?yè)p壞。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對(duì)功率MOSFET器件內(nèi)部的各個(gè)電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關(guān)的，這方面在應(yīng)用中應(yīng)給予足夠重視。對(duì)器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應(yīng)的問(wèn)題。

二、功率MOSFET的導(dǎo)通電阻-晶圓級(jí)測(cè)量

為了保證Kelvin阻值測(cè)量的精度，需要考慮幾項(xiàng)重要的因素：(1)待測(cè)器件（DUT）的幾何形狀；(2)到器件的接線；(3)材料的邊界；(4)各種材料（包括接線）的體電阻率。

一種測(cè)量RDS(on)的典型方法是在卡盤(pán)（Chuck）和接觸晶圓頂部的探針之間產(chǎn)生電流。另一種方法是在晶圓的背面使用探針來(lái)代替卡盤(pán)。這種方法可以精確到2.5mΩ。

一種較大的誤差來(lái)源于晶圓和卡盤(pán)之間的接觸（如圖1所示）。因?yàn)榭ūP(pán)上以及晶圓背面粗糙不平，所以只有在個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行電氣連接。晶圓和卡盤(pán)之間的接觸電阻的數(shù)值足以給RDS(on)的測(cè)量引入較大的誤差。僅僅重新放置卡盤(pán)上晶圓的位置就會(huì)改變接觸區(qū)域并影響RDS(on)的測(cè)量結(jié)果。

圖1典型的測(cè)量結(jié)構(gòu)，橫截面視圖

另一種測(cè)量偏差來(lái)源是探針的布局。如果移動(dòng)了強(qiáng)制電流探針，電流的分布模式將發(fā)生變化。這會(huì)改變電壓梯度模式，而且會(huì)改變電壓檢測(cè)探針處的電壓。

三、功率MOSFET的導(dǎo)通電阻-相鄰晶粒方法

需要的設(shè)備包括：(1)帶有6個(gè)可用探針的探針臺(tái)；(2)電壓計(jì)；(3)電流源。將晶圓和導(dǎo)電的卡盤(pán)隔離開(kāi)這一點(diǎn)非常重要。如果晶圓與卡盤(pán)存在接觸，那么這種接觸將造成電流以平行于基底的方式流動(dòng)，改變了測(cè)量結(jié)果。可以用一張紙將晶圓和卡盤(pán)隔離開(kāi)。

到漏極的連接是通過(guò)在待測(cè)器件的另一側(cè)使用相鄰的完全相同的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)部晶圓結(jié)構(gòu)要比晶圓和卡盤(pán)之間的連接牢固得多。因此，相鄰晶粒方法要比傳統(tǒng)的RDS(on)測(cè)量方法精確得多。

圖2顯示了測(cè)量的結(jié)構(gòu)。3個(gè)MOSFET和6個(gè)探針均在圖中顯示出來(lái)，電接觸則示意性地畫(huà)出。中間的MOSFET是待測(cè)器件。

圖2 RDS(on)測(cè)量結(jié)構(gòu)

顯示的極性屬于N溝道MOSFET。漏極電流受限于探針的電流傳輸能力。左側(cè)的MOSFET的作用是在待測(cè)器件的漏極側(cè)施加電流。待測(cè)器件右側(cè)的MOSFET用于測(cè)量漏極電壓。

在MOSFET中，如果柵極開(kāi)啟，而且漏極到源極之間沒(méi)有電流，那么漏極和源極的電壓相等。這種方法就利用這個(gè)原理來(lái)測(cè)量探針D上的漏極電壓。

柵極偏壓被連接在探針C和E之間。如果連接在探針B和E之間，那么探針B和源極焊盤(pán)之間的電壓降會(huì)降低待測(cè)器件上的實(shí)際柵極電壓。因?yàn)樵赗DS(on)測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有電流通過(guò)，所以探針C上不存在電壓降。

相鄰晶粒方法確實(shí)需要右側(cè)的MOSFET（在探針D和F之間）處于工作狀態(tài)。如果這個(gè)晶粒上的柵極和源極被短路，那么測(cè)量結(jié)果可能不正確。

RDS(on)的取值是通過(guò)計(jì)算Vdc/IAB得到的，但是也可以得到更加精確的RDS(on)取值。

四、功率MOSFET的導(dǎo)通電阻-FEA輔助確定RDS(on)測(cè)量值

盡管相鄰晶粒法很精確，但是它并不能給出RDS(on)完全精確的測(cè)量值。為了得到僅由有源區(qū)貢獻(xiàn)的RDS(on)，可以將測(cè)量結(jié)果與仿真進(jìn)行對(duì)比。有限元分析（FEA）軟件可以用來(lái)為測(cè)量結(jié)構(gòu)建模。一旦建立了有源區(qū)電阻和RDS(on)測(cè)量值之間的關(guān)系，就可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定有源區(qū)的電阻。

仿真模型是3個(gè)MOSFET和晶圓的一部分的三維表示。在有限元模型中，有源區(qū)電阻是已知的。FEA軟件用來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)建模并計(jì)算RDS(on)測(cè)量結(jié)果。仿真過(guò)程進(jìn)行兩次，使用兩個(gè)不同的有源區(qū)電阻值來(lái)計(jì)算結(jié)果。因?yàn)轫憫?yīng)的線性相當(dāng)好，所以電阻值是任意選取的。對(duì)每種晶粒的尺寸，這種仿真只需要進(jìn)行一次。利用仿真測(cè)量結(jié)果和實(shí)際有源區(qū)的電阻之間的關(guān)系，可以得到一個(gè)公式，用來(lái)根據(jù)相鄰晶粒方法的測(cè)量值計(jì)算有源區(qū)電阻。

五、功率MOSFET的導(dǎo)通電阻-相鄰晶粒方法2

有幾項(xiàng)因素會(huì)給測(cè)量引入誤差。最重要的因素是探針的位置以及基底的電阻率。

從仿真結(jié)果可以看出，有些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常小。基底的厚度通常是200μm。厚度從175μm變化到225μm只會(huì)給RDS(on)帶來(lái)1%的誤差（仿真的測(cè)量結(jié)果）。同樣，背墊金屬表面電阻的變化對(duì)結(jié)果的影響也不會(huì)超過(guò)1%。仿真得到的一項(xiàng)驚人的結(jié)果表明，頂部金屬厚度和電阻率對(duì)結(jié)果的影響也可以忽略不計(jì)。

基底電阻率的變化會(huì)給RDS(on)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)線性響應(yīng)。圖3顯示了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際基底正常分布的基底電阻率。這樣做是為了顯示響應(yīng)是線性的。

圖3由于基底電阻率造成的仿真結(jié)果的誤差

探針在待測(cè)器件上的擺放位置必須保持一致。探針位置的變化會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的變化。待測(cè)器件左側(cè)和右側(cè)器件上探針的位置（見(jiàn)圖2中的A和D）也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，但是影響沒(méi)有前者大。造成這種測(cè)量誤差的原因在于頂部金屬的表面電阻大于0。

將探針B或C從源極焊盤(pán)中心向邊緣移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。圖4顯示了移動(dòng)探針B或C所產(chǎn)生的誤差。每條線表示RDS(on) 2%的誤差。在繪制這張圖時(shí)，使用了5μm×5μm的網(wǎng)格。每次只移動(dòng)一個(gè)探針的位置。

圖4探針位置所引起的誤差

相鄰晶粒方法是一種成本低廉、精確地以晶圓形式測(cè)量MOSFET有源區(qū)的RDS(on)的方法。它在檢測(cè)不同批次晶圓的差別方面非常有用。

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