MOSFET在導(dǎo)通時的通道電阻低,而截止時的電阻近乎無限大,所以適合作為模擬信號的開關(guān)(信號的能量不會因為開關(guān)的電阻而損失太多)。MOSFET作為開關(guān)時,其源極與漏極的分別和其他的應(yīng)用是不太相同的,因為信號可以從MOSFET柵極以外的任一端進(jìn)出。對NMOS開關(guān)而言,電壓 負(fù)的一端就是源極,PMOS則正好相反,電壓 正的一端是源極。MOSFET開關(guān)能傳輸?shù)男盘枙艿狡鋿艠O—源極、柵極—漏極,以及漏極到源極的電壓限制,如果超過了電壓的上限可能會導(dǎo)致MOSFET燒毀。MOSFET開關(guān)的應(yīng)用范圍很廣,舉凡需要用到取樣持有電路(sample-and-hold circuits)或是截波電路(chopper circuits)的設(shè)計,例如類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(A/D converter)或是切換電容濾波器(switch-capacitor filter)上都可以見到MOSFET開關(guān)的蹤影。若箭頭從基極指向通道,則表示基極為P型,而通道為N型,此元件為N型的MOSFET,簡稱NMOS。高壓N管MOSFET封裝
過去數(shù)十年來,MOSFET的尺寸不斷地變小。早期的集成電路MOSFET制程里,通道長度約在幾個微米(micrometer)的等級。但是到了現(xiàn)在的集成電路制程,這個參數(shù)已經(jīng)縮小了幾十倍甚至超過一百倍。至90年代末,MOSFET尺寸不斷縮小,讓集成電路的效能大幅提升,而從歷史的角度來看,這些技術(shù)上的突破和半導(dǎo)體制程的進(jìn)步有著密不可分的關(guān)系。我們希望MOSFET的尺寸能越小越好。越小的MOSFET象征其通道長度減少,讓通道的等效電阻也減少,可以讓更多電流通過。雖然通道寬度也可能跟著變小而讓通道等效電阻變大,但是如果能降低單位電阻的大小,那么這個問題就可以解決。南通N-CHANNELMOSFET型號過去數(shù)十年來,MOSFET的尺寸不斷地變小。
MOSFET在生活中是很常見的,MOSFET的柵極材料:MOSFET的臨界電壓(threshold voltage)主要由柵極與通道材料的功函數(shù)(work function)之間的差異來決定,而因為多晶硅本質(zhì)上是半導(dǎo)體,所以可以藉由摻雜不同極性的雜質(zhì)來改變其功函數(shù)。更重要的是,因為多晶硅和底下作為通道的硅之間能隙(bandgap)相同,因此在降低PMOS或是NMOS的臨界電壓時可以藉由直接調(diào)整多晶硅的功函數(shù)來達(dá)成需求。反過來說,金屬材料的功函數(shù)并不像半導(dǎo)體那么易于改變,如此一來要降低MOSFET的臨界電壓就變得比較困難。而且如果想要同時降低PMOS和NMOS的臨界電壓,將需要兩種不同的金屬分別做其柵極材料,對于制程又是一個很大的變量。
柵極氧化層隨著MOSFET尺寸變小而越來越薄,主流的半導(dǎo)體制程中,甚至已經(jīng)做出厚度 有1.2納米的柵極氧化層,大約等于5個原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下,所有的物理現(xiàn)象都在量子力學(xué)所規(guī)范的世界內(nèi),例如電子的穿隧效應(yīng)(tunneling effect)。因為穿隧效應(yīng),有些電子有機(jī)會越過氧化層所形成的位能障壁(potential barrier)而產(chǎn)生漏電流,這也是 集成電路芯片功耗的來源之一。為了解決這個問題,有一些介電常數(shù)比二氧化硅更高的物質(zhì)被用在柵極氧化層中。例如鉿(Hafnium)和鋯(Zirconium)的金屬氧化物(二氧化鉿、二氧化鋯)等高介電常數(shù)的物質(zhì)均能有效降低柵極漏電流。柵極氧化層的介電常數(shù)增加后,柵極的厚度便能增加而維持一樣的電容大小。而較厚的柵極氧化層又可以降低電子透過穿隧效應(yīng)穿過氧化層的機(jī)率,進(jìn)而降低漏電流。不過利用新材料制作的柵極氧化層也必須考慮其位能障壁的高度,因為這些新材料的傳導(dǎo)帶(conduction band)和價帶(valence band)和半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶與價帶的差距比二氧化硅?。ǘ趸璧膫鲗?dǎo)帶和硅之間的高度差約為8ev),所以仍然有可能導(dǎo)致柵極漏電流出現(xiàn)。MOSFET一般適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。
功率晶體管單元的截面圖。通常一個市售的功率晶體管都包含了數(shù)千個這樣的單元。主條目:功率晶體管功率MOSFET和前述的MOSFET元件在結(jié)構(gòu)上就有著 的差異。一般集成電路里的MOSFET都是平面式(planar)的結(jié)構(gòu),晶體管內(nèi)的各端點都離芯片表面只有幾個微米的距離。而所有的功率元件都是垂直式(vertical)的結(jié)構(gòu),讓元件可以同時承受高電壓與高電流的工作環(huán)境。一個功率MOSFET能耐受的電壓是雜質(zhì)摻雜濃度與N型磊晶層(epitaxial layer)厚度的函數(shù),而能通過的電流則和元件的通道寬度有關(guān),通道越寬則能容納越多電流。對于一個平面結(jié)構(gòu)的MOSFET而言,能承受的電流以及崩潰電壓的多寡都和其通道的長寬大小有關(guān)。對垂直結(jié)構(gòu)的MOSFET來說,元件的面積和其能容納的電流成大約成正比,磊晶層厚度則和其崩潰電壓成正比。功率MOSFET的工作原理截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏,漏源極之間無電流流過。MOSFET的臨界電壓主要由柵極與通道材料的功函數(shù)之間的差異來決定。張家港高壓MOSFET開關(guān)管
MOSFET的面積越小,制造芯片的成本就可以降低,在同樣的封裝里可以裝下更高密度的芯片。高壓N管MOSFET封裝
降低高壓MOSFET導(dǎo)通電阻的原因:不同耐壓的MOSFET,其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOSFET,其外延層電阻至少為 總導(dǎo)通電阻的29%,耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導(dǎo)通電阻將幾乎被外 延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓,就必須采用高電阻率的外延層,并增厚。這就是常規(guī)高壓MOSFET結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高導(dǎo)通電阻的根本原因。增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻,但成本的提高所付出的代價是商業(yè)品所不允許的。引入少數(shù)載流子導(dǎo)電雖能降低導(dǎo)通壓降,但付出的代價是開關(guān)速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流,開關(guān)損耗增加,失去了MOSFET的高速的優(yōu)點。高壓N管MOSFET封裝
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