MOS管主要參數(shù)及重要參數(shù)詳細(xì)說明

一、MOS管直流參數(shù)

1、漏源截止電流I_off  

對于增強(qiáng)型MOS管，在VGS=0時(shí)，管子截止，漏源之間不能導(dǎo)通，即漏源電流應(yīng)該為零。但由于PN結(jié)反向漏電等原因，所以漏源之間仍有很小的漏電流通過，常稱為截止漏電流，用I_off表示。實(shí)際上引起的漏電不僅有PN結(jié)反向漏電，還有溝道漏電。

2、飽和漏極電流IDSS 

對于耗盡型MOS管，在VGS=0時(shí)，溝道已經(jīng)存在，MOS管的漏、源兩擴(kuò)散區(qū)已經(jīng)通導(dǎo)。當(dāng)VGS一定且足夠大時(shí)，漏極電流的飽和值叫做MOS管的飽和漏極電流，用IDSS表示。MOS管主要參數(shù)。根據(jù)MOS管的飽和電流公式，用VGS=0代入，可得到耗盡型MOS管的飽和漏極電流為：

該值對于N溝道耗盡型MOS管取正值，對P溝道耗盡型MOS管取負(fù)值。

3、柵源直流輸入阻抗 

MOS管的柵和源是用柵介質(zhì)SiO2絕緣層隔離開來的，在組成電路時(shí)，柵和源通常作為輸入端。所謂柵源直流輸入阻抗就是SiO2層的絕緣電阻。MOS管主要參數(shù)。柵氧化層愈厚，質(zhì)量愈好，絕緣電阻就愈高。如果結(jié)構(gòu)完整的熱生長的SiO2，厚度在150nm左右時(shí)，絕緣電阻可達(dá)10¹²Ω以上，如果在柵極與溝道之間加一定的電壓，能通過柵氧化層的電流是極微小的，一般小于10-¹⁴A。這是MOS管的可貴特性之一。

4、導(dǎo)通電阻

當(dāng)MOS管工作在非飽和區(qū)，VDS很小時(shí)，特性曲線是直線，即IDS與VDS成正比，這時(shí)管子相當(dāng)于一個(gè)純電阻，即當(dāng)VDS很小時(shí)，（1-46）式可略去這一項(xiàng)，非飽和區(qū)的電流公式可寫成：

在這種情況下，漏源電壓與漏源電流IDS的比值就叫導(dǎo)通電阻，常用R_ON表示。

可見，導(dǎo)通電阻與（VGS-VT）成反比，當(dāng)VGS≈VT時(shí)，RoN變得很大，即反型層幾乎消失。另外，RoN與溝道長度L成正比，與溝道寬度W成反比。

可以想到，如果VDS-VGS-VT，MOS管的工作進(jìn)入飽和，這時(shí)的溝道電阻應(yīng)為：

可見，臨界飽和時(shí)的溝道導(dǎo)通電阻是非飽和區(qū)導(dǎo)通電阻的2倍。

5、漏源擊穿電壓BVDS 

在前面討論MOS管的輸出特性曲線時(shí)曾提到，當(dāng)漏源電壓VDS超過一定限度時(shí)，就會產(chǎn)生擊穿，使漏電流急劇增加。漏源擊穿電壓是有兩個(gè)因素決定:

（1）漏擴(kuò)散區(qū)與襯底之間的PN結(jié)擊穿

當(dāng)MOS管的源與襯底相連時(shí)，在漏源間施加電壓就等于在漏極與襯底之間的PN結(jié)上施加一個(gè)反向電壓。當(dāng)VDS很大時(shí)，PN結(jié)的耗盡區(qū)變得很寬，勢壘區(qū)中電場變得很大，VDS大到某一數(shù)值后，勢壘區(qū)中就會產(chǎn)生雷崩擊穿，耗盡層這完全與雙極型管的PN結(jié)擊穿一樣。MOS管主要參數(shù)。但必須指出，對于MOS器件，由于源漏擴(kuò)散區(qū)一般為淺結(jié)擴(kuò)散，在圖1-26漏擴(kuò)散區(qū)附近的耗盡區(qū)電場分布示意圖淺PN結(jié)的邊緣處，有較大的彎曲，在彎曲處會產(chǎn)生較強(qiáng)的樓角電場，所以PN結(jié)擊穿首先在這里發(fā)生，致使BVDS大大降低。另外，對MOS管的擴(kuò)散區(qū)來說，金屬柵電極蓋住了擴(kuò)散區(qū)的邊緣部分，如圖1-28所示。由于柵電場的影響，擊穿電壓的大小也會受到較大的影響。例如，假定VDS=20V，VGS=5V，則柵極相對漏極是負(fù)電位，所以會使柵與漏的覆蓋部分電場加強(qiáng)，使擊穿電壓降低。

（2）漏源之間的穿通現(xiàn)象

對于一個(gè)增強(qiáng)型器件，一般情況下，當(dāng)Vs=0，VGs=0時(shí)，硅表面沒有溝道存在，源漏之間是不導(dǎo)通的。當(dāng)漏源間加上電壓后，只會有極微小的PN結(jié)反向漏電流。但當(dāng)VDS不斷加大，漏區(qū)附近的耗盡層亦相應(yīng)地不斷展寬。當(dāng)VDS大到某一程度，漏區(qū)周圍的耗盡層擴(kuò)展到與源擴(kuò)散區(qū)相交迭時(shí)，源擴(kuò)散區(qū)里的大量電子，就會在強(qiáng)電場的作用下，直接從源擴(kuò)散區(qū)通過耗盡區(qū)掃入漏區(qū)，產(chǎn)生了很大的電流，這就是漏源穿通效應(yīng)。如圖1-29所示。

特別是對于襯底電阻率p比較高和溝道長度L比較小的MOS管，比較容易形成穿通現(xiàn)象。

穿通電壓也象擊穿電壓一樣，使最大漏源工作電壓VDS受到限制，對于一個(gè)具體的管子，到底是先發(fā)生PN結(jié)擊穿，還是先發(fā)生穿通現(xiàn)象，要看具體結(jié)構(gòu)而定。如果襯底電阻率較低，溝道又較長的管子，一般總是由雪崩擊穿電壓來決定BVDS的大小。MOS管主要參數(shù)。而對于襯底電阻率較高，溝道長度L較短的管子，很前能在發(fā)生雪崩擊穿以前就發(fā)生了穿通現(xiàn)象。

對于在高電阻率的襯底材料上進(jìn)行的淺結(jié)擴(kuò)散，耗盡層的寬度可用突變結(jié)近似計(jì)算，其耗盡層厚度為：

其中V在這里就是VDS，VD為PN結(jié)自建電勢。當(dāng)時(shí)，就發(fā)生了穿通效應(yīng)，如果略去了VD，則由穿通現(xiàn)象引起的漏源擊穿電壓為：

對于用摻雜濃度為5×10¹⁴個(gè)/cm²（相當(dāng)于p-10.cm）的P型襯底，做成溝道長度的MOS管，根據(jù)（1-53）式計(jì)算，約為35~40V，比一般的PN結(jié)擊穿電壓低得多，因此，實(shí)際測量所得到的漏源擊穿電壓是由穿通現(xiàn)象引起的。

6、柵擊穿與柵保護(hù)

（1）柵擊穿 

在MOS管中，柵極與溝道之間隔著一層氧化膜，這種結(jié)構(gòu)與電容器的結(jié)構(gòu)一樣，當(dāng)柵源電壓或柵漏電壓超過一定限度時(shí)，就會引起氧化膜的擊穿，使柵極與氧化膜下面的硅發(fā)生短路現(xiàn)象。氧化膜一旦被擊穿，MOS管就損壞了，所以在使用MOS管時(shí)，在柵極上不能加過高的電壓。

從實(shí)驗(yàn)知道，氧化膜的擊穿電壓和氧化膜的厚度成正比，其擊穿的電場強(qiáng)度E值在5×10⁶~10×10⁶V/cm之間。通常情況下，柵極下面的氧化膜厚度約在100~200nm之間，它的擊穿電壓如圖1-30所示范圍，由于氧化膜150nm的質(zhì)量好壞不同，對于同樣的厚度，擊穿電壓也有所不同。MOS管主要參數(shù)。對于厚度為150nm的氧化膜來說，它的擊穿電壓在75~120V之間，實(shí)際上，由于SiO2中存在著缺陷、針孔以及外來沾污，致使最大耐壓有所降低。

由于MOS器件的柵電容量很小，并且柵絕緣電阻很大，因此很小的電量就會造成很高的電壓使柵擊穿。若柵電容為2pF，那么僅1.5×10^-10C的電量，就可造成柵與襯底間達(dá)75V的高電壓，使柵氧化層擊穿。柵擊穿后，柵電流急速增加。有人研究得到，在擊穿點(diǎn)的電流密度可達(dá)光譜觀察到的峰值溫度接近4000K。

（2）柵保護(hù) 

預(yù)防柵擊穿是一個(gè)非常被人們重視的問題。防止柵擊穿的方法很多，例如所有的儀器、電源、烙鐵都要良好的接地，器件不用時(shí)要用導(dǎo)電材料包住等。不過這些方法都不能使柵極得到完全的保護(hù)，因此人們想出了利用柵保護(hù)器件，使器件的柵極不致輕易被擊穿。對于MOS電路，除了在使用、保存中要注意靜電擊穿外，還要在電路內(nèi)部，制造保護(hù)器件。其方法是很多的，但基本原理是類似的。一般在外引線與柵之間有一個(gè)接觸電阻和一個(gè)并聯(lián)的保護(hù)元件。這個(gè)元件在正常工作電壓范圍內(nèi)，電阻很大，所以不影響電路的正常工作，但當(dāng)柵極電壓超過一定范圍（例如接近柵擊穿電壓）時(shí)，它的電阻變得很小，就在輸入端形成一個(gè)低阻通路，將感應(yīng)的靜電荷泄放掉，使柵極得到保護(hù)。圖1-31是目前常用的幾種輸入柵保護(hù)方法。

其中，圖1-31（a）為二極管保護(hù)，預(yù)先設(shè)計(jì)二極管的反向擊穿電壓低于MOS管的柵擊穿電壓BVGS。當(dāng)輸入電壓由于某種原因大于二極管的反向擊穿電壓時(shí)，它就提供了泄放靜電回路，使MOS管的柵得到保護(hù)。圖1-31（b）是在輸入柵中串一個(gè)擴(kuò)散電阻，然后，再并聯(lián)一個(gè)反向二極管。圖1-31（c）為漏源穿通保護(hù)器件，其穿通擊穿電壓低于柵擊穿電壓。圖1-31（d）為場致反型保護(hù)器件，它的柵介質(zhì)為厚氧化層，約為MOS管的十倍。MOS管主要參數(shù)。以前講到，MOS品體管的闊電壓與氧化層的厚度成正比，氧化層愈厚，VT就愈大。所以當(dāng)柵極有一高電壓輸入時(shí)，場致反型器件首先導(dǎo)通，提供了靜電的泄放回路，從而使MOS管的柵得到保護(hù)。

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