一个更简单的器件--MOS电容--能更好的理解MOS管

mos管也称场效应管，首先考察一个更简单的器件--MOS电容--能更好的理解MOS管。这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是extrinsic silicon(外在硅)，他们之间由一薄层二氧化硅分隔开。金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body。他们之间的绝缘氧化层称为gate dielectric(栅介质)。器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。这个MOS 电容的电特性能通过把backgate接地，gate接不同的电压来说明。MOS电容的GATE电位是0V。金属GATE和半导体BACKGATE在WORK FUNCTION上的差异在电介质上产生了一个小电场。在器件中，这个电场使金属极带轻微的正电位，P型硅负电位。这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。

当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置时发生的情况。穿过GATE DIELECTRIC的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着GATE电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子，硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为inversion，反转的硅层叫做channel。随着GATE电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累，channel变成了强反转。Channel形成时的电压被称为阈值电压Vt。当GATE和BACKGATE之间的电压差小于阈值电压时，不会形成channel。当电压差超过阈值电压时，channel就出现了。mos管在电路中一般用作电子开关，在开关电源中常用MOS管的漏极开路电路，漏极原封不动地接负载，叫开路漏极，开路漏极电路中不管负载接多高的电压，都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理。当然MOS管做开关使用的电路形式比较多了。

Source、Drain、Gate分别对应场效应管的三极：源极S、漏极D、栅极G(里这不讲栅极GOX击穿，只针对漏极电压击穿)。

1、MOSFET的击穿有哪几种?

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。

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。

对于穿通击穿，有以下一些特征：

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

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，要降低耗尽区电场，防止碰撞产生电子空穴对，降低电压不行，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。

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。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。上面讲的都是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。

内阻很小的MOS管通常指‌ 超低内阻MOS管 ‌，其导通压降极低(通常为毫伏级别)，适用于高精度电路和低功耗场景。这类MOS管通过优化制造工艺实现极低的导通电阻，例如 N沟道增强型MOS管 在导通时，源极(S)与漏极(D)之间的电压降可低至数毫伏，电流通过时产生的功耗非常小。 ‌12

‌导通压降小‌：典型值在几毫伏到数十毫伏之间，例如1A电流通过6.5毫欧的MOS管时，压降仅约6.5毫伏。 ‌3‌开关速度快‌：得益于场效应控制特性，开关速度比普通晶体管更快。 ‌1‌低功耗‌：导通损耗低，适合电池供电等对功耗敏感的场景。 ‌3常用于电源管理、高精度电路保护(如防电源反接)、高速开关电路等，可避免因压降过大导致元件损坏或效率降低的问题。