【原】MOSFET原理詳解與參數(shù)測(cè)試（1）

愛月亮的長(zhǎng)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(jìn)行了大量的MOS的替代測(cè)試，結(jié)果就是這顆料能買到還好，最尷尬的就是測(cè)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(jī)會(huì)整理了MOS的基礎(chǔ)知識(shí)和測(cè)試相關(guān)內(nèi)容，和大家一起相互討論和學(xué)習(xí)。

1、MOS的由來

MOSFET又叫場(chǎng)效應(yīng)晶體管，要想學(xué)好MOS管，首先我們要對(duì)標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)

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(hào)的內(nèi)阻大；

輸出極的電流很大，輸出信號(hào)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(gè)流控流型的器件，有電流必然會(huì)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(gè)，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(gè)電路也就無(wú)法設(shè)計(jì)。

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

對(duì)于MOSFET來說，GS內(nèi)部有一個(gè)電容存在的。充滿電后，維持住這個(gè)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(dāng)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(gè)時(shí)候功耗很低了。

我們?cè)賮砜匆幌翫S，它之間可以等效成一個(gè)可變電阻。這個(gè)可變電阻，在關(guān)斷期間時(shí)，則阻值無(wú)窮大；在開通期間，則阻值無(wú)窮小。所以，DS之間也沒有功耗，即使一個(gè)很大的Id，但是乘以一個(gè)無(wú)窮小的電阻，它的功耗就很小。那么，這樣子也實(shí)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(wú)電壓

當(dāng)柵極上沒有加偏置電壓時(shí)，源和漏之間存在兩個(gè)背靠背的串聯(lián)二極管。一個(gè)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(gè)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(wú)偏置電壓，這兩個(gè)背靠背的二極管將阻礙從漏到源的電流的產(chǎn)生。實(shí)際上，漏源之間的通路是一個(gè)阻值非常高的電阻（在10¹²Ω的數(shù)量級(jí)）。

注釋2：NMOS主要構(gòu)造

上圖中p型襯底是一個(gè)為器件提供物理支撐（在集成電路中，它為整個(gè)電路提供支撐）的單晶硅圓片。在襯底上創(chuàng)建兩個(gè)重?fù)诫s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(gè)正電壓。因?yàn)樵礃O（S）接地，柵極電壓就相當(dāng)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(fù)電）。該耗盡區(qū)域是與受主雜質(zhì)原子相關(guān)聯(lián)的帶負(fù)電的束縛電荷。

同時(shí)，正柵極電壓從n+源區(qū)和n+漏區(qū)吸引電子進(jìn)入溝道區(qū)域，當(dāng)柵極下面的襯底附近積聚了足夠數(shù)量的電子時(shí)，就形成一個(gè)n型區(qū)，它連接源區(qū)和漏區(qū)。此時(shí)在源區(qū)和漏區(qū)之間加上電壓，在n型區(qū)域內(nèi)就會(huì)有移動(dòng)的電子形成的電流通道，此時(shí)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(shí)的電壓值稱為開啟電壓/閾值電壓，記為Vth。

2、3 施加一個(gè)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(gè)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(dòng)，因此電流方向?yàn)閺穆﹨^(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(dāng)V_GS=Vth時(shí)，剛剛形成溝道，此時(shí)的電流非常小可以忽略不計(jì)。當(dāng)V_GS超過Vth時(shí)，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(shí)，D-S之間的電阻值與V_GS電壓成反比，此時(shí)的器件就如同一個(gè)線性電阻。

2、4 V_GS保持不變時(shí)，逐步增加V_DS

此時(shí)仍然假定V_GS大于Vth并保持不變，V_DS相當(dāng)于溝道長(zhǎng)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(diǎn)之間的電壓從源端的V_GS減小到漏端的V_GS-V_DS，因?yàn)闇系郎疃热Q于此電壓，所以此時(shí)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(dāng)V_DS增大到使柵極和漏端的電壓差減小為Vth時(shí)（即V_GS-V_DS=Vth時(shí)），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(huì)對(duì)溝道的形狀產(chǎn)生太大影響，此時(shí)的i_D也達(dá)到了飽和不在增加。

因此當(dāng)MOSFET工作與V_GS>Vth時(shí)，漏極電流i_D與漏極電壓V_DS之間的關(guān)系如下圖所示：

3、Vth電壓該怎么測(cè)？

一般在MOSFET的datasheet中查看Vth值時(shí)，在最后面都標(biāo)注了 Test Condition，不同廠家的測(cè)試要求有些出入，要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行測(cè)量。以上圖DMT6030LFDF的Vth測(cè)量為例，TestCondition要求主要有兩點(diǎn)：

① V_DS=V_GS,要求D端電壓等于G端電壓，那么我們可以直接將D端與G端進(jìn)行短接。

② I_D=250uA，要求在D-S通過250uA的電流，因此就需要電源和負(fù)載，來產(chǎn)生電流。

測(cè)試設(shè)備：直流電源；高精度電子負(fù)載；萬(wàn)用表

測(cè)試步驟：測(cè)試方法參考下圖，短接G-D端，在D-S端串入直流電源和負(fù)載，設(shè)置負(fù)載恒流模式，Load=250uA。同時(shí)使用萬(wàn)用表測(cè)試G-S端電壓。

環(huán)境搭建完成后，啟動(dòng)負(fù)載拉載，從0開始逐步增加電壓源電壓，當(dāng)電子負(fù)載Load=250uA時(shí)，記錄此時(shí)的萬(wàn)用表電壓即為Vth。

注意事項(xiàng)：

① 線路連接盡可能短，減少線路損耗；

② 電子負(fù)載恒流模式使用低量程，保證拉載電流的準(zhǔn)確性。

③ 部分電子負(fù)載的設(shè)置最小電流不能達(dá)到uA級(jí)別（主要取決硬件設(shè)施允不允許你使用的負(fù)載可以達(dá)到這個(gè)精度），可以設(shè)置拉載電流為1mA或者負(fù)載的最小拉載電流，然后逐步增加電源電壓，觀察負(fù)載拉載電流達(dá)到250uA時(shí)（此時(shí)電流并未達(dá)到設(shè)置拉載值），記錄電壓表測(cè)量值