mosfet怎樣失效的_大眾科普網

我們的產品是投影儀電源產品上用mosfet feq16n25，不良現象在該管的功耗大，測試不過，
我想知道有那些原因導致該元件失效。失效的機理是什麼

金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,mosfet）是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效晶體管（field-effecttransistor）。mosfet依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的mosfet，通常又稱為nmosfet與pmosfet，其他簡稱尚包括nmosfet、pmosfet、nmosfet、pmosfet等。
從目前的角度來看mosfet的命名，事實上會讓人得到錯誤的印象。因為mosfet裡代表“metal”的第一個字母m在當下大部分同類的元件裡是不存在的。早期mosfet的柵極（gateelectrode）使用金屬作為其材料，但隨著半導體技術的進步，現代的mosfet柵極早已用多晶硅取代了金屬。
mosfet在概念上屬於“絕緣柵極場效晶體管”（insulated-gatefieldeffecttransistor,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。
mosfet裡的氧化層位於其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃（å）不等，通常材料是二氧化硅（silicondioxide,sio2），不過有些新的進階制程已經可以使用如氮氧化硅（siliconoxynitride,sion）做為氧化層之用。
今日半導體元件的材料通常以硅（silicon）為首選，但是也有些半導體公司發展出使用其他半導體材料的制程，當中最著名的例如ibm使用硅與鍺（germanium）的混合物所發展的硅鍺制程（silicon-germaniumprocess,sigeprocess）。而可惜的是很多擁有良好電性的半導體材料，如砷化镓（galliumarsenide,gaas），因為無法在表面長出品質夠好的氧化層，所以無法用來制造mosfet元件。
當一個夠大的電位差施於mosfet的柵極與源極（source）之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時所謂的“反型層”（inversionchannel）就會形成。通道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設漏極和源極是n-type，那麼通道也會是n-type。通道形成後，mosfet即可讓電流通過，而依據施於柵極的電壓值不同，可由mosfet的通道流過的電流大小亦會受其控制而改變。
電路符號
常用於mosfet的電路符號有很多種變化，最常見的設計是以一條直線代表通道，兩條和通道垂直的線代表源極與漏極，左方和通道平行而且較短的線代表柵極，如下圖所示。有時也會將代表通道的直線以破折線代替，以區分增強型mosfet（enhancementmodemosfet）或是耗盡型mosfet（depletionmodemosfet）。
由於積體電路芯片上的mosfet為四端元件，所以除了柵極、源極、漏極外，尚有一基極（bulk或是body）。mosfet電路符號中，從通道往右延伸的箭號方向則可表示此元件為n-type或是p-type的mosfet。箭頭方向永遠從p端指向n端，所以箭頭從通道指向基極端的為p-type的mosfet，或簡稱pmos（代表此元件的通道為p-type）；反之若箭頭從基極指向通道，則代表基極為p-type，而通道為n-type，此元件為n-type的mosfet，簡稱nmos。在一般分布式mosfet元件（discretedevice）中，通常把基極和源極接在一起，故分布式mosfet通常為三端元件。而在積體電路中的mosfet通常因為使用同一個基極（commonbulk），所以不標示出基極的極性，而在pmos的柵極端多加一個圓圈以示區別。
[編輯]mosfet的操作原理
[編輯]mosfet的核心：金屬—氧化層—半導體電容
金屬—氧化層—半導體結構mosfet在結構上以一個金屬—氧化層—半導體的電容為核心（如前所述，今日的mosfet多半以多晶硅取代金屬作為其柵極材料），氧化層的材料多半是二氧化硅，其下是作為基極的硅，而其上則是作為柵極的多晶硅。這樣子的結構正好等於一個電容器（capacitor），氧化層扮演電容器中介電質（dielectricmaterial）的角色，而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數（dielectricconstant）來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為mos電容的兩個端點。
當一個電壓施加在mos電容的兩端時，半導體的電荷分布也會跟著改變。考慮一個p-type的半導體（電洞濃度為na）形成的mos電容，當一個正的電壓vgb施加在柵極與基極端（如圖）時，電洞的濃度會減少，電子的濃度會增加。當vgb夠強時，接近柵極端的電子濃度會超過電洞。這個在p-type半導體中，電子濃度（帶負電荷）超過電洞（帶正電荷）濃度的區域，便是所謂的反轉層（inversionlayer）。
mos電容的特性決定了mosfet的操作特性，但是一個完整的mosfet結構還需要一個提供多數載子（majoritycarrier）的源極以及接受這些多數載子的漏極。
[編輯]mosfet的結構
一個nmos晶體管的立體截面圖左圖是一個n-typemosfet（以下簡稱nmos）的截面圖。如前所述，mosfet的核心是位於中央的mos電容，而左右兩側則是它的源極與漏極。源極與漏極的特性必須同為n-type（即nmos）或是同為p-type（即pmos）。右圖nmos的源極與漏極上標示的“n+”代表著兩個意義：(1)n代表摻雜（doped）在源極與漏極區域的雜質極性為n；(2)“+”代表這個區域為高摻雜濃度區域（heavilydopedregion），也就是此區的電子濃度遠高於其他區域。在源極與漏極之間被一個極性相反的區域隔開，也就是所謂的基極（或稱基體）區域。如果是nmos，那麼其基體區的摻雜就是p-type。反之對pmos而言，基體應該是n-type，而源極與漏極則為p-type（而且是重摻雜的p+）。基體的摻雜濃度不需要如源極或漏極那麼高，故在右圖中沒有“+”。
對這個nmos而言，真正用來作為通道、讓載子通過的只有mos電容正下方半導體的表面區域。當一個正電壓施加在柵極上，帶負電的電子就會被吸引至表面，形成通道，讓n-type半導體的多數載子—電子可以從源極流向漏極。如果這個電壓被移除，或是放上一個負電壓，那麼通道就無法形成，載子也無法在源極與漏極之間流動。
假設操作的對象換成pmos，那麼源極與漏極為p-type、基體則是n-type。在pmos的柵極上施加負電壓，則半導體上的電洞會被吸引到表面形成通道，半導體的多數載子—電洞則可以從源極流向漏極。假設這個負電壓被移除，或是加上正電壓，那麼通道無法形成，一樣無法讓載子在源極和漏極間流動。
特別要說明的是，源極在mosfet裡的意思是“提供多數載子的來源”。對nmos而言，多數載子是電子；對pmos而言，多數載子是電洞。相對的，漏極就是接受多數載子的端點。
[編輯]mosfet的操作模式
nmos的漏極電流與漏極電壓之間在不同vgs−vth的關系
mosfet在線性區操作的截面圖
mosfet在飽和區操作的截面圖依照在mosfet的柵極、源極，與漏極等三個端點施加的“偏壓”（bias）不同，一個常見的加強型（enhancementmode）n-typemosfet有下列三種操作區間：
截止或次臨限區（cut-offorsub-thresholdregion）
當柵極和源極間的電壓vgs（g代表柵極，s代表源極）小於一個稱為臨界電壓（thresholdvoltage,vth）的值時，這個mosfet是處在“截止”（cut-off）的狀態，電流無法流過這個mosfet，也就是這個mosfet不導通。
但事實上當vgs<vth、mosfet無電流通過的敘述和現實有些微小的差異。在真實的狀況下，因為載子的能量依循波茲曼分布（boltzmanndistribution）而有高低的差異。雖然當vgs<vth的狀況下，mosfet的通道沒有形成，但仍然有些具有較高能量的載子可以從半導體表面流至漏極。而若是vgs略高於0，但小於vth的情況下，還會有一個稱為“弱反轉層”（weakinversionlayer）的區域在半導體表面出現，讓更多載子流過。透過弱反轉而從源極流至漏極的載子數量與vgs的大小之間呈指數的關系，這樣的電流又稱為次臨限電流（subthresholdcurrent）。
在一些擁有大量mosfet的積體電路產品，如dram，次臨限電流往往會造成額外的能量或功率消耗。
三極或線性區（triodeorlinearregion）
當vgs>vth、且vds<vgs-vth，此處vds為nmos漏極至源極的電壓，則這顆nmos為導通的狀況，在氧化層下方的通道也已形成。此時這顆nmos的行為類似一個壓控電阻（voltage-controlledresistor）
[編輯]mosfet在電子電路上應用的優勢
mosfet在1960年由貝爾實驗室（belllab.）的d.kahng和martinatalla首次實作成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（williamshockley）等人發明的雙載子晶體管（bipolarjunctiontransistor,bjt）截然不同，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優勢，在大型積體電路（large-scaleintegratedcircuits,lsi）或是超大型積體電路（verylarge-scaleintegratedcircuits,vlsi）的領域裡，重要性遠超過bjt。
近年來由於mosfet元件的性能逐漸提升，除了傳統上應用於諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用mosfet來實現，以下分別介紹這些應用。
[編輯]數位電路
數位科技的進步，如微處理器運算效能不斷提升，帶給深入研發新一代mosfet更多的動力，這也使得mosfet本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導體主動元件中最快的一種。mosfet在數位訊號處理上最主要的成功來自cmos邏輯電路的發明，這種結構最大的好處是理論上不會有靜態的功率損耗，只有在邏輯門（logicgate）的切換動作時才有電流通過。cmos邏輯門最基本的成員是cmos反相器（inverter），而所有cmos邏輯門的基本操作都如同反相器一樣，同一時間內必定只有一種晶體管（nmos或是pmos）處在導通的狀態下，另一種必定是截止狀態，這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑，大量節省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發熱量。
mosfet在數位電路上應用的另外一大優勢是對直流（dc）訊號而言，mosfet的柵極端阻抗為無限大（等效於開路），也就是理論上不會有電流從mosfet的柵極端流向電路裡的接地點，而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓mosfet和他們最主要的競爭對手bjt相較之下更為省電，而且也更易於驅動。在cmos邏輯電路裡，除了負責驅動芯片外負載（off-chipload）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

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