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廈門低壓N+PMOSFET失效分析

來源: 發(fā)布時間:2022-04-25

隨著MOSFET技術的不斷演進,現(xiàn)在的CMOS技術也已經(jīng)可以符合很多模擬電路的規(guī)格需求。再加上MOSFET因為結構的關系,沒有BJT的一些致命缺點,如熱破壞(thermal runaway)。另外,MOSFET在線性區(qū)的壓控電阻特性亦可在集成電路里用來取代傳統(tǒng)的多晶硅電阻(poly resistor),或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容(PIP capacitor),甚至在適當?shù)碾娐房刂葡驴梢员憩F(xiàn)出電感(inductor)的特性,這些好處都是BJT很難提供的。也就是說,MOSFET除了扮演原本晶體管的角色外,也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動元件(passive device)。這樣的優(yōu)點讓采用MOSFET實現(xiàn)模擬電路不但可以滿足規(guī)格上的需求,還可以有效縮小芯片的面積,降低生產(chǎn)成本。MOSFET熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。廈門低壓N+PMOSFET失效分析

MOSFET在概念上屬于“絕緣柵極場效晶體管”(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET),而IGFET的柵極絕緣層有可能是其他物質而非MOSFET使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場效晶體管元件時比較喜歡用IGFET,但是這些IGFET多半指的是MOSFET。從名字表面的角度來看MOSFET的命名,事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET里 “metal”的 個字母M在當下大部分同類的元件里是不存在的。早期MOSFET的柵極(gate electrode)使用金屬作為其材料,但隨著半導體技術的進步,隨后MOSFET柵極使用多晶硅取代了金屬。在處理器中,多晶硅柵已經(jīng)不是主流技術,從英特爾采用45納米線寬的P1266處理器開始,柵極開始重新使用金屬。廈門低壓N+PMOSFET失效分析為何要把MOSFET的尺寸縮???

MOSFET應用優(yōu)勢:場效應晶體管是電壓控制元件,而雙極結型晶體管是電流控制元件。在只允許從取較少電流的情況下,應選用場效應管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應選用雙極晶體管。有些場效應管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比雙極晶體管好。場效應管是利用多數(shù)載流子導電,所以稱之為單極型器件,而雙極結型晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導電。因此被稱之為雙極型器件。

MOSFET在數(shù)字電路上應用的另外一大優(yōu)勢是對直流(DC)信號而言,MOSFET的柵極端阻抗為無限大(等效于開路),也就是理論上不會有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點,而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓MOSFET和他們 主要的競爭對手BJT相較之下更為省電,而且也更易于驅動。在CMOS邏輯電路里,除了負責驅動芯片外負載(off-chip load)的驅動器(driver)外,每一級的邏輯門都只要面對同樣是MOSFET的柵極,如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅動力。相較之下,BJT的邏輯電路(例如 常見的TTL)就沒有這些優(yōu)勢。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對于電路設計工程師而言亦有其他優(yōu)點,例如較不需考慮邏輯門輸出端的負載效應(loading effect)。模擬電路MOSFET需要的驅動功率小,開關速度快,工作頻率高;

為何要把MOSFET的尺寸縮小基于以下幾個理由,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。其次,MOSFET的尺寸變小意味著柵極面積減少,如此可以降低等效的柵極電容。此外,越小的柵極通常會有更薄的柵極氧化層,這可以讓前面提到的通道單位電阻值降低。不過這樣的改變同時會讓柵極電容反而變得較大,但是和減少的通道電阻相比,獲得的好處仍然多過壞處,而MOSFET在尺寸縮小后的切換速度也會因為上面兩個因素加總而變快。第三個理由是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。一片集成電路制程使用的晶圓尺寸是固定的,所以如果芯片面積越小,同樣大小的晶圓就可以產(chǎn)出更多的芯片,于是成本就變得更低了。MOSFET的參數(shù)很多,包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)。廈門低壓MOSFET

MOSFET的柵極材料有哪些?廈門低壓N+PMOSFET失效分析

在MOSFET器件應用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外,還必須掌握在應用中如何保護器件,不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組 合,又加上因大面積帶來的大電容,所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說,它還存在一個導通區(qū)的擴展問題,所以也帶來相當嚴格的限制。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)的能力來估量。但盡管如此,它也存在動態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結構來予以理解。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)著一個二極管。同時從某個角度看、它還存在一個寄生晶體管。(就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣)。這幾個方面,是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。廈門低壓N+PMOSFET失效分析

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