mos管和双极型晶体管的结构与工作原理

发布时间：2023-06-01 10:26
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：2203

　　MOS管和双极型晶体管(BJT)是常见的两种晶体管器件，它们在工作原理、结构以及性能上存在明显差异，本文AMEYA360电子元器件采购网将对其进行比较分析。

mos管和双极型晶体管的结构与工作原理

　　结构

　　BJT有三个区域：发射区(Emitter)、基区(Base)和集电区(Collector)。发射区和集电区是N型或P型半导体，基区是从一侧掺入另一一侧的另一种半导体材料，构成PNP或NPN结构。

　　MOS管分为N沟道型和P沟道型，它们的基本结构是基于一个四层复合结构：衬底(Substrate)、绝缘层(Insulator)、栅极(Gate)和源/漏极(Source/Drain)。其中衬底是一个高纯度的半导体晶片，绝缘层通常是二氧化硅或氮化硅等材料，栅极是一层金属或多晶硅等导电性好的材料覆盖在绝缘层上，源/漏极是P或N型半导体形成的区域，与衬底相连。

　　工作原理

　　BJT的工作原理是基区中的少量载流子通过注入进行放大，即控制电流流动的大小。当基区的正电压施加到一定程度时，基区内的载流子被注入集电区，产生的电流进行放大。

　　MOS管的工作原理是在栅极和漏极间形成一个电场，可以控制源/漏极中的电子数，从而控制电流的流动。在MOS管的通道中，存在一个薄型氧化物绝缘层(也称为栅氧化层)。当栅极施加一定电压时，绝缘层下的半导体会产生一个反向偏置。这将导致半导体中形成一个能带弯曲，这会在源极和漏极之间产生一个导电通道，从而控制了电流的流动。

　　性能比较

　　BJT和MOS管各具有不同的性能特点。BJT控制电路简单、稳健，适合放大大信号和高精度放大，线性增益范围更大。但其主要缺点是输入阻抗低，噪音大，输出电压饱和等问题。

　　MOS管适合控制大小信号、控制大电流和高频率的信号。其输入阻抗高、噪音低、功耗低，且可以制作成大功率器件和高频率器件，但其主要缺点是存在栅极电容，可能出现失真、干扰等问题，并且需要外加静态电压控制。

　　本篇文章就介绍到这了，AMEYA360将继续努力，为广大用户提供更多更好的技术资讯和产品信息，如需选购电子元器件产品请官网询价。总的来说，两种器件各有优缺点，必须根据具体的应用场景进行选择。例如，在功率放大等领域，BJT更为常用，而在集成电路装置，尤其是高速高频领域，MOS管的应用更为广泛。

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　　Source、Drain、Gate —— 场效应管的三极：源级S、漏级D、栅级G。(这里不讲栅极GOX击穿了啊，只针对漏极电压击穿)　　先讲测试条件，都是源栅衬底都是接地，然后扫描漏极电压，直至Drain端电流达到1uA。所以从器件结构上看，它的漏电通道有三条：Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。　　Drain→Source穿通击穿：　　这个主要是Drain加反偏电压后，使得Drain/Bulk的PN结耗尽区延展，当耗尽区碰到Source的时候，那源漏之间就不需要开启就形成了通路，所以叫做穿通(punch through)。　　那如何防止穿通呢?这就要回到二极管反偏特性了，耗尽区宽度除了与电压有关，还与两边的掺杂浓度有关，浓度越高可以抑制耗尽区宽度延展，所以flow里面有个防穿通注入(APT：AnTI Punch Through)，记住它要打和well同type的specis。　　当然实际遇到WAT的BV跑了而且确定是从Source端走了，可能还要看是否 PolyCD或者Spacer宽度，或者LDD_IMP问题了，那如何排除呢?这就要看你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可以通过Poly相关的WAT来验证。对吧?　　对于穿通击穿，有以下一些特征：　　✦穿通击穿的击穿点软，击穿过程中，电流有逐步增大的特征，这是因为耗尽层扩展较宽，产生电流较大。另一方面，耗尽层展宽大容易发生DIBL效应，使源衬底结正偏出现电流逐步增大的特征。　　✦穿通击穿的软击穿点发生在源漏的耗尽层相接时，此时源端的载流子注入到耗尽层中，被耗尽层中的电场加速达到漏端，因此，穿通击穿的电流也有急剧增大点，这个电流的急剧增大和雪崩击穿时电流急剧增大不同，这时的电流相当于源衬底PN结正向导通时的电流，而雪崩击穿时的电流主要为PN结反向击穿时的雪崩电流，如不作限流，雪崩击穿的电流要大。　　✦穿通击穿一般不会出现破坏性击穿。因为穿通击穿场强没有达到雪崩击穿的场强，不会产生大量电子空穴对。　　✦穿通击穿一般发生在沟道体内，沟道表面不容易发生穿通，这主要是由于沟道注入使表面浓度比浓度大造成，所以，对NMOS管一般都有防穿通注入。　　✦一般的，鸟嘴边缘的浓度比沟道中间浓度大，所以穿通击穿一般发生在沟道中间。　　✦多晶栅长度对穿通击穿是有影响的，随着栅长度增加，击穿增大。而对雪崩击穿，严格来说也有影响，但是没有那么显著。　　Drain→Bulk雪崩击穿：　　这就单纯是PN结雪崩击穿了(Avalanche Breakdown)，主要是漏极反偏电压下使得PN结耗尽区展宽，则反偏电场加在了PN结反偏上面，使得电子加速撞击晶格产生新的电子空穴对 (Electron-Hole pair)，然后电子继续撞击，如此雪崩倍增下去导致击穿，所以这种击穿的电流几乎快速增大，I-V curve几乎垂直上去，很容烧毁的。(这点和源漏穿通击穿不一样)　　那如何改善这个junction BV呢?所以主要还是从PN结本身特性讲起，肯定要降低耗尽区电场，防止碰撞产生电子空穴对，降低电压肯定不行，那就只能增加耗尽区宽度了，所以要改变 doping profile了，这就是为什么突变结(Abrupt junction)的击穿电压比缓变结(Graded junction)的低。这就是学以致用，别人云亦云啊。　　当然除了doping profile，还有就是doping浓度，浓度越大，耗尽区宽度越窄，所以电场强度越强，那肯定就降低击穿电压了。而且还有个规律是击穿电压通常是由低 浓度的那边浓度影响更大，因为那边的耗尽区宽度大。公式是BV=K*(1/Na+1/Nb)，从公式里也可以看出Na和Nb浓度如果差10倍，几乎其中一 个就可以忽略了。　　那实际的process如果发现BV变小，并且确认是从junction走的，那好好查查你的Source/Drain implant了。　　Drain→Gate击穿：　　这个主要是Drain和Gate之间的Overlap导致的栅极氧化层击穿，这个有点类似GOX击穿了，当然它更像Poly finger的GOX击穿了，所以他可能更care poly profile以及sidewall damage了。当然这个Overlap还有个问题就是GIDL，这个也会贡献Leakage使得BV降低。　　上面讲的就是MOSFET的击穿的三个通道，通常BV的case以前两种居多。Off-state下的击穿，也就是Gate为0V的时候，但是有的时候Gate开启下Drain加电压过高也会导致击穿的，我们称之为On-state击穿。这种情况尤其喜欢发生在Gate较低电压时，或者管子刚刚开启时，而且几乎都是NMOS。所以我们通常WAT也会测试BVON。　　02、如何处理MOS管小电流发热严重情况?　　MOS管，做电源设计，或者做驱动方面的电路，难免要用到MOS管。MOS管有很多种类，也有很多作用。做电源或者驱动的使用，当然就是用它的开关作用。　　无论N型或者P型MOS管，其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性，不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应，因此在开关应用中，MOS管的开关速度应该比三极管快。　　我们经常看MOS管的PDF参数，MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗，对开关应用来说，RDS(ON)也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。　　另外，慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数，其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。　　03、MOS管小电流发热的原因　　✦电路设计的问题，就是让MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也增大，损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。　　✦频率太高，主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大了，所以发热也加大了。　　✦没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。　　✦MOS管的选型有误，对功率判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗增大。　　04、MOS管小电流发热严重怎么解决　　✦做好MOS管的散热设计，添加足够多的辅助散热片。　　✦贴散热胶。　　05、MOS管为什么可以防止电源反接?　　电源反接，会给电路造成损坏，不过，电源反接是不可避免的。所以，我们就需要给电路中加入保护电路，达到即使接反电源，也不会损坏的目的。　　一般可以使用在电源的正极串入一个二极管解决，不过，由于二极管有压降，会给电路造成不必要的损耗，尤其是电池供电场合，本来电池电压就3.7V，你就用二极管降了0.6V，使得电池使用时间大减。　　MOS管防反接，好处就是压降小，小到几乎可以忽略不计。现在的MOS管可以做到几个毫欧的内阻，假设是6.5毫欧，通过的电流为1A(这个电流已经很大了)，在他上面的压降只有6.5毫伏。由于MOS管越来越便宜，所以人们逐渐开始使用MOS管防电源反接了。　　NMOS管防止电源反接电路：　　正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，所以S的电位大概就是0.6V，而G极的电位，是VBAT，VBAT-0.6V大于UGS的阀值开启电压，MOS管的DS就会导通，由于内阻很小，所以就把寄生二极管短路了，压降几乎为0。　　电源接反时：UGS=0，MOS管不会导通，和负载的回路就是断的，从而保证电路安全。　　PMOS管防止电源反接电路：　　正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，电源与负载形成回路，所以S极电位就是VBAT-0.6V，而G极电位是0V，PMOS管导通，从D流向S的电流把二极管短路。　　电源接反时：G极是高电平，PMOS管不导通。保护电路安全。　　连接技巧：NMOS管DS串到负极，PMOS管DS串到正极，让寄生二极管方向朝向正确连接的电流方向。　　感觉DS流向是“反”的?仔细的朋友会发现，防反接电路中，DS的电流流向，和我们平时使用的电流方向是反的。　　为什么要接成反的?利用寄生二极管的导通作用，在刚上电时，使得UGS满足阀值要求。　　为什么可以接成反的?如果是三极管，NPN的电流方向只能是C到E，PNP的电流方向只能是E到C。不过，MOS管的D和S是可以互换的。这也是三极管和MOS管的区别之一。　　06、MOS管功率损耗测量　　MOSFET/IGBT的开关损耗测试是电源调试中非常关键的环节，但很多工程师对开关损耗的测量还停留在人工计算的感性认知上，PFC MOSFET的开关损耗更是只能依据口口相传的经验反复摸索，那么该如何量化评估呢?　　功率损耗的原理图和实测图　　一般来说，开关管工作的功率损耗原理图下图所示，主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”，小部分能量体现在“导通状态”，而关闭状态的损耗很小几乎为0，可以忽略不计。　　实际的测量波形图一般下图所示。　　MOSFET和PFC MOSFET的测试区别　　对于普通MOS管来说，不同周期的电压和电流波形几乎完全相同，因此整体功率损耗只需要任意测量一个周期即可。但对于PFC MOS管来说，不同周期的电压和电流波形都不相同，因此功率损耗的准确评估依赖较长时间(一般大于10ms)，较高采样率(推荐1G采样率)的波形捕获，此时需要的存储深度推荐在10M以上，并且要求所有原始数据(不能抽样)都要参与功率损耗计算，实测截图下图所示。
2024-07-17 14:18 阅读量：589
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