01 MOSFET介紹
如果說晶體管能夠被稱為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明,那么毫無疑問,MOSFET在其中功不可沒。1925年,關(guān)于MOSFET基本原理的專利發(fā)表,1959年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于此原理的MOSFET結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。時至六十年后的今天,大至功率變換器,小至內(nèi)存、CPU等各類電子設(shè)備核心元件,無一不用到MOSFET。
02 MOSFET工作基本原理
基本概念-半導(dǎo)體
金屬材料可以導(dǎo)電,絕緣材料不導(dǎo)電,那怎么樣實(shí)現(xiàn)一個東西既能夠?qū)щ娪帜軌虿粚?dǎo)電?那就是半導(dǎo)體。MOSFET作為一種半導(dǎo)體器件,我們需要它實(shí)現(xiàn)的功能按最簡單話來說就是既能夠?qū)崿F(xiàn)電路的通,又能夠?qū)崿F(xiàn)電路的斷。放在數(shù)字電路里,這就是實(shí)現(xiàn)0和1的方式,在功率電路里,這就是實(shí)現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)換器工作的基本手段。
如何實(shí)現(xiàn)通?當(dāng)材料內(nèi)部具有自由移動的電子(負(fù)電荷)或者空穴(正電荷)的時候就是導(dǎo)通的(假如說電子或空穴被晶格束縛,那么同樣無法導(dǎo)電),存在載流子的時候材料是導(dǎo)通的。如何實(shí)現(xiàn)斷?那就是將一定區(qū)域內(nèi)的自由載流子去除,材料就不能夠?qū)щ娏耍瑥亩_(dá)到阻斷電流的作用。
我們目前用得最多的半導(dǎo)體材料,比如硅(Si),是Ⅳ族元素,本身最外層電子為4,可以形成穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu),因此它本身是無法導(dǎo)電的,如下圖所示,所有電子和原子核都被牢牢束縛在穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中出不來,所以沒有自由移動的電荷。
穩(wěn)定的Si結(jié)構(gòu)
而當(dāng)材料中摻雜了其他元素,比如說Ⅲ族或者Ⅴ族元素,甚至其他元素,取代了晶格中的位置。摻雜Ⅴ族元素,結(jié)構(gòu)中就有了除了最外層4個以外的一個電子(即多數(shù)載流子為電子),摻雜了Ⅲ族元素,結(jié)構(gòu)中就缺了一個電子構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),即形成一個空穴(即多數(shù)載流子為空穴)。如下圖所示,左圖為摻雜Ⅴ族元素的示意圖,Ⅴ族元素最外層有五個電子,四個電子參與形成共價鍵,因此還剩余一個電子;右圖為摻雜Ⅲ族元素的示意圖,Ⅲ族元素最外層有三個電子,只有三個電子用于形成共價鍵,因此留下一個空穴。為了方便,可以直接將電子和空穴理解成負(fù)電荷和正電荷。
摻雜后的結(jié)構(gòu)
由于帶電粒子在電場中會發(fā)生移動,假如在電場的作用下,使得結(jié)構(gòu)中的電子和空穴都跑掉了,那么這個區(qū)域不存在自由移動的載流子,因此區(qū)域就不再導(dǎo)電,這樣的區(qū)域稱為耗盡區(qū)(載流子被電場耗盡)。牢牢記住,耗盡區(qū)內(nèi)不存在自由移動的載流子,因此是斷開狀態(tài)。MOS的核心原理就是利用電場的作用,使得一定區(qū)域時而導(dǎo)電時而斷開。
MOSFET核心部分
提起MOSFET,我們不禁要問,為什么叫MOSFET?MOSFET全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,即金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。這個名字實(shí)際上是跟其結(jié)構(gòu)息息相關(guān),我們看下圖中的核心結(jié)構(gòu)(僅僅是取其中局部進(jìn)行講解)。從上往下依次是金屬、氧化層、摻雜的半導(dǎo)體材料,連起來就是Metal-Oxide-Semiconductor,有其名必有其因。
平行極板模型
那何為Field-Effect Transistor?
這里的Field自然指電場,所以FET實(shí)際上就是指這種器件是電場驅(qū)動的晶體管。如果在上下極板加上正電壓,就會在材料中建立電場,如下圖所示,其中綠色的線為電場線。
由于圖中這里所示為P摻雜(Ⅲ族元素?fù)诫s),紅色區(qū)域中存在空穴(也就是正電荷),在外加電場的作用下,正電荷就會往下離開,從而在上表面形成不含有自由載流子的區(qū)域,也就是耗盡區(qū)(depletion region)。
耗盡層的形成
而施加的電壓足夠高時,將把耗盡層內(nèi)的空穴進(jìn)一步驅(qū)趕,并吸引電子往上表面運(yùn)動,在上表面堆積可以導(dǎo)電的電子,從而形成N型半導(dǎo)體,從而形成反型層(Inversion layer, 之所以叫反型層是指在電場作用下,該區(qū)域內(nèi)的自由載流子與摻雜形成的半導(dǎo)體載流子相反)。一般我們將開始形成反型層時施加的電壓稱為門檻電壓。反型層也就是我們后面要提到的導(dǎo)電溝道(沿水平方向形成導(dǎo)電溝道)。
反型層的形成
導(dǎo)電溝道形成的圖:
反型層形成仿真圖
MOSFET工作原理
以平面增強(qiáng)型N溝道MOSFET為例,基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。可以看到,從左到右為NPN的摻雜,在擴(kuò)散作用下,會自然形成像圖中所示的深紅色的耗盡區(qū)(depletion region),根據(jù)前面所述,耗盡區(qū)是不能導(dǎo)電的,因此漏極(Drain)到源極(Source)在未加外加電場的時是斷開的,因此該結(jié)構(gòu)是Normal off的結(jié)構(gòu)。
MOSFET normal off
注意到,圖中正中心區(qū)域就是之前講的核心部分,從上往下,橘黃色,黃色,淺紅色依次為金屬、氧化物、P摻雜。那么又是如何控制MOSFET導(dǎo)通的呢?利用溝道。
當(dāng) Vgs>0,會開始在氧化層下面首先形成新的耗盡層(depletion region),如下如所示。
耗盡層形成
當(dāng) Vgs>Vth,形成反型層,如下圖所示。
反型層形成
由于反型層相當(dāng)于N摻雜的半導(dǎo)體,因此D和S直接直接連通,因此MOSFET導(dǎo)電溝道形成,進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。
03 MOSFET輸出特性
如下圖所示為增強(qiáng)型N溝道MOS輸出特性。
對于上圖所示的MOS,有三種工作區(qū)域
04 MOSFET符號與命名
MOSFET大家族
門極符號
MOSFET不同于JFET,在Gate是不與導(dǎo)電溝道相連的,是有一層氧化絕緣層的,因此從符號中可以看出,MOSFET中Gate和溝道是由縫隙的,也就是有兩條豎線,或者一條豎線與三段虛線,而JFET則是一條豎線。另外,細(xì)心的你可能還會發(fā)現(xiàn),有的Gate形狀為“L”,有的則是“T”,如果是“L”,意味著Gate和Source在物理結(jié)構(gòu)上靠得更近。
溝道形狀
增強(qiáng)型MOSFET在未加外部電壓時為斷開(normal off),而耗盡型MOSFET則在未加外部電壓時為導(dǎo)通(normal on)。所以增強(qiáng)型MOSFET的溝道為三段虛線,意味著還未導(dǎo)通,而耗盡型MOSFET的溝道則是一條直線。
箭頭方向
對于含有bulk connection的MOSFET,區(qū)分P溝道與N溝道就是靠箭頭方向。箭頭方向遵循一個準(zhǔn)則,P指向N,如果溝道是P,則由溝道指向外,如果溝道是N,則由外指向溝道。
05 MOSFET介紹市場及應(yīng)用
中國MOSFET器件市場中,英飛凌排名第一,中國本土企業(yè)中,華潤微電子、揚(yáng)杰科技、聞泰收購的安世半導(dǎo)體和吉林華微電子進(jìn)入前十。中國MOSFET市場下游需求迅速擴(kuò)大的大環(huán)境下,中國MOSFET行業(yè)的產(chǎn)銷規(guī)模在不斷擴(kuò)大,對國外產(chǎn)品的進(jìn)口替代效應(yīng)不斷凸顯。目前,我國超級結(jié)MOSFET的市場參與者以國際大廠為主,但其產(chǎn)品價格相對較高。
受益于國家產(chǎn)業(yè)政策扶持和行業(yè)技術(shù)水平提升等多重利好因素,我國MOSFET企業(yè)通過產(chǎn)品的高性價比持續(xù)提高市場占有率,國產(chǎn)化水平不斷提升。功率MOSFET特別是超級結(jié)MOSFET高端分立器件產(chǎn)品由于其技術(shù)及工藝的復(fù)雜度,還較大程度上依賴進(jìn)口,未來進(jìn)口替代空間巨大。
2023年中國MOSFET市場規(guī)模約為56.6億美元。在下游的應(yīng)用領(lǐng)域中,消費(fèi)電子、通信、工業(yè)控制、汽車電子占據(jù)了主要的市場份額,其中消費(fèi)電子與汽車電子占比最高。在消費(fèi)電子領(lǐng)域,主板、顯卡的升級換代、快充、Type-C接口的持續(xù)滲透持續(xù)帶動MOSFET器件的市場需求。在汽車電子領(lǐng)域,MOSFET器件在電動馬達(dá)輔助驅(qū)動、電動助力轉(zhuǎn)向及電機(jī)驅(qū)動等動力控制系統(tǒng),以及電池管理系統(tǒng)等功率變換模塊領(lǐng)域均發(fā)揮重要作用,有著廣闊的應(yīng)用市場及發(fā)展前景。
06 車規(guī)級MOSFET認(rèn)證AEC-Q101
AEC即Automotive Electronics Council,是美國汽車電子委員會的簡稱。AEC由克萊斯勒,福特和通用汽車發(fā)起并創(chuàng)立于1994年,目前會員遍及全球各大汽車廠、汽車電子和半導(dǎo)體廠商,符合AEC規(guī)范的零部件均可被上述三家車廠同時采用,促進(jìn)了零部件制造商交換其產(chǎn)品特性數(shù)據(jù)的意愿,并推動了汽車零件通用性的實(shí)施,為汽車零部件市場的快速成長打下基礎(chǔ)。AEC-Q為AEC組織所制訂的車用可靠性測試標(biāo)準(zhǔn),是零件廠商進(jìn)入汽車電子領(lǐng)域,打入一級車廠供應(yīng)鏈的重要門票。
① AEC-Q101認(rèn)證是車規(guī)級分立半導(dǎo)體器件的準(zhǔn)入門檻
AEC-Q101是基于失效機(jī)理的分立半導(dǎo)體器件應(yīng)力測試鑒定,由AEC委員會制定,適用于車用分立半導(dǎo)體器件的綜合可靠性測試認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),是分立器件應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的基本門檻。首版于1996年發(fā)行,目前沿用的最新標(biāo)準(zhǔn)為2021年3月1日發(fā)布的E版本。
AEC Q101標(biāo)準(zhǔn)是分立半導(dǎo)體器件(依產(chǎn)品類型、封裝形貌及取樣數(shù)量的要求)執(zhí)行并通過的必要測試項(xiàng)目。
② 要求通過AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的分立器件
二極管、齊納二極管、穩(wěn)壓二極管、整流二極管、TVS管、MOSFET、IGBT等
③ AEC-Q101產(chǎn)品驗(yàn)證流程
④ AEC-101測試項(xiàng)目分組
各項(xiàng)參數(shù)測試:如性能測試、外觀、參數(shù)驗(yàn)證、物理尺寸、熱阻、雪崩耐量、短路可靠性、介質(zhì)完整性等;
環(huán)境應(yīng)力實(shí)驗(yàn):按照軍用電子器件環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)和汽車電子通用環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn),執(zhí)行器件的應(yīng)力實(shí)驗(yàn),如高溫反偏、高溫柵偏壓、溫度循環(huán)、高壓蒸煮、HAST、高溫高濕反偏、高溫高濕工作、間歇工作壽命、功率溫度循環(huán)、常加速、振動、沖擊、氣密性等;
工藝質(zhì)量評價:針對封裝、后續(xù)電子組裝工藝,以及使用可靠性進(jìn)行的相應(yīng)元器件工藝質(zhì)量評價,如ESD、DPA、端子強(qiáng)度、耐溶劑試驗(yàn)、耐焊接熱、可焊性、綁線拉力剪切力、芯片推力、無鉛測試等。
⑤ 北測測試能力及AEC-101技術(shù)要求
關(guān)于北測
北測集團(tuán)(以下簡稱"NTEK")成立于2009年,總部位于深圳,主要從事智能網(wǎng)聯(lián)汽車、電子通信、新能源的研發(fā)驗(yàn)證、檢驗(yàn)檢測、失效分析、仿真模擬和市場準(zhǔn)入等質(zhì)量研究技術(shù)服務(wù)。
北測擁有豐富的車規(guī)級電子認(rèn)證經(jīng)驗(yàn),已成功幫助100多家企業(yè)順利通過AEC-Q系列認(rèn)證。北測集團(tuán)以車企車規(guī)元器件國產(chǎn)化需求為牽引,依托國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),提供完善的檢測認(rèn)證服務(wù),通過AEC-Q車用標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格把控汽車元器件安全質(zhì)量,助力國產(chǎn)車規(guī)級元器件大力發(fā)展,為打造智能汽車安全體系再添新動力。