MOSFET金氧半场效晶体管-博泰典藏网
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MOSFET金氧半场效晶体管
导读：特别是今日的积体电路芯片所含有的晶体管数量剧增，同样大小的芯片上可容纳更多晶体管时，连接这些晶体管的金属导线间产生的寄生电容效应就开始主宰逻辑门7，当芯片上的晶体管数量大幅增加后，在功率晶体管（PowerMOSFET）的领域里，假设外置的散热系统无法让功率晶体管的温度保持在够低的，很有可能让这些功率晶体管遭到热破坏（thermalrunaway）的命运，功率晶体管单元的截面图，通常一个市售的功
件通道长度可能比这个数字还小一些。至90年代末，MOSFET尺寸不断缩小，让积体电路的效能大大提升，而从历史的角度来看，这些技术上的突破和半导体制程的进步有著密不可分的关系。
为何要把MOSFET的尺寸缩小
基于以下几个理由，我们希望MOSFET的尺寸能越小越好。第一，越小的MOSFET象征其通道长度减少，让通道的等效电阻也减少，可以让更多电流通过。虽然通道宽度也可能跟著变小而让通道等效电阻变大，但是如果能降低单位电阻的大小，那么这个问题就可以解决。其次，MOSFET的尺寸变小意味著栅极面积减少，如此可以降低等效的栅极电容。此外，越小的栅极通常会有更薄的栅极氧化层，这可以让前面提到的通道单位电阻值降低。不过这样的改变同时会让栅极电容反而变得较大，但是和减少的通道电阻相比，获得的好处仍然多过坏处，而MOSFET在尺寸缩小后的切换速度也会因为上面两个因素加总而变快。第三个理由是MOSFET的面积越小，制造芯片的成本就可以降低，在同样的封装里可以装下更高密度的芯片。一片积体电路制程使用的晶圆尺寸是固定的，所以如果芯片面积越小，同样大小的晶圆就可以产出更多的芯片，于是成本就变得更低了。
虽然MOSFET尺寸缩小可以带来很多好处，但同时也有很多负面效应伴随而来。
MOSFET的尺寸缩小后出现的困难
把MOSFET的尺寸缩小到一微米以下对于半导体制程而言是个挑战，不过现在的新挑战多半来自尺寸越来越小的MOSFET元件所带来过去不曾出现的物理效应。
次临限传导
由于MOSFET栅极氧化层的厚度也不断减少，所以栅极电压的上限也随之变少，以免过大的电压造成栅极氧化层崩溃（breakdown）。为了维持同样的性能，MOSFET的临界电压也必须降低，但是这也造成了MOSFET越来越难以完全关闭。也就是说，足以造成MOSFET通道区发生弱反转的栅极电压会比从前更低，于是所谓的次临限电流（subthreshold current）造成的问题会比过去更严重，特别是今日的积体电路芯片所含有的晶体管数量剧增，在某些VLSI的芯片，次临限传导造成的功率消耗竟然占了总功率消耗的一半以上。
不过反过来说，也有些电路设计会因为MOSFET的次临限传导得到好处，例如需要较高的转导/电流转换比（transconductance-to-current ratio）的电路里，利用次临限传导的MOSFET来达成目的的设计也颇为常见。
芯片内部连接导线的寄生电容效应
传统上，CMOS逻辑门的切换速度与其元件的栅极电容有关。但是当栅极电容随著MOSFET尺寸变小而减少，同样大小的芯片上可容纳更多晶体管时，连接这些晶体管的金属导线间产生的寄生电容效应就开始主宰逻辑门 7
的切换速度。如何减少这些寄生电容，成了芯片效率能否向上突破的关键之一。
芯片发热量增加
当芯片上的晶体管数量大幅增加后，有一个无法避免的问题也跟著发生了，那就是芯片的发热量也大幅增加。一般的积体电路元件在高温下操作可能会导致切换速度受到影响，或是导致可靠度与寿命的问题。在一些发热量非常高的积体电路芯片如微处理器，目前需要使用外加的散热系统来缓和这个问题。
在功率晶体管（Power MOSFET）的领域里，通道电阻常常会因为温度升高而跟著增加，这样也使得在元件中pn-接面（pn-junction）导致的功率损耗增加。假设外置的散热系统无法让功率晶体管的温度保持在够低的
水平，很有可能让这些功率晶体管遭到热破坏（thermal runaway）的命运。
栅极氧化层漏电流增加
栅极氧化层随著MOSFET尺寸变小而越来越薄，目前主流的半导体制程中，甚至已经做出厚度仅有1.2纳米的栅极氧化层，大约等于5个原子叠在一起的厚度而已。在这种尺度下，所有的物理现象都在量子力学所规范的世界内，例如电子的穿隧效应（tunneling effect）。因为穿隧效应，有些电子有机会越过氧化层所形成的位能障壁（potential barrier）而产生漏电流，这也是今日积体电路芯片功耗的来源之一。
为了解决这个问题，有一些介电常数比二氧化硅更高的物质被用在栅极氧化层中。例如铪（Hafnium）和锆（Zirconium）的金属氧化物（二氧化铪、二氧化锆）等高介电常数的物质均能有效降低栅极漏电流。栅极氧化层的介电常数增加后，栅极的厚度便能增加而维持一样的电容大小。而较厚的栅极氧化层又可以降低电子透过穿隧效应穿过氧化层的机率，进而降低漏电流。不过利用新材料制作的栅极氧化层也必须考虑其位能障壁的高度，因为这些新材料的传导带（conduction band）和价带（valence band）和半导体的传导带与价带的差距比二氧化硅小（二氧化硅的传导带和硅之间的高度差约为8ev），所以仍然有可能导致栅极漏电流出现。
制程变异更难掌控
现代的半导体制程工序复杂而繁多，任何一道制程都有可能造成积体电路芯片上的元件产生些微变异。当MOSFET等元件越做越小，这些变异所占的比例就可能大幅提升，进而影响电路设计者所预期的效能，这样的变异让电路设计者的工作变得更为困难。
MOSFET的栅极材料
理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择电性良好的导体，多晶硅在经过重掺杂之后的导电性可以用在MOSFET的栅极上，但是并非完美的选择。目前MOSFET使用多晶硅作为的理由如下：
1. MOSFET的临界电压（threshold voltage）主要由栅极与通道材料的功函数（work function）之间的差异来决定，而因为多晶硅本质上是半导体，所以可以藉由掺杂不同极性的杂质来改变其功函数。更重要的是，因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时可以藉由直接调整多晶硅的功函数来达成需求。反过来说，金属材料的功函数并不像半导体那么易于改变，如此一来要降低MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压，将需要两种不同的金属分别做其栅极材料，对于制程又是一个很大的变量。
2. 硅―二氧化硅接面经过多年的研究，已经证实这两种材料之间的缺陷（defect）是相对而言比较少的。反之，金属―绝缘体接面的缺陷多，容易在两者之间形成很多表面能阶，大为影响元件的特性。
3. 多晶硅的融点比大多数的金属高，而在现代的半导体制程中习惯在高温下沉积栅极材料以增进元件效能。金属的融点低，将会影响制程所能使用的温度上限。
不过多晶硅虽然在过去二十年是制造MOSFET栅极的标准，但也有若干缺点使得未来仍然有部份MOSFET可能使用金属栅极，这些缺点如下：
1. 多晶硅导电性不如金属，限制了讯号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式改善其导电性，但成效仍然有限。目前有些融点比较高的金属材料如：钨（Tungsten）、钛（Titanium）、钴（Cobalt）或是镍（Nickel）被用来和多晶硅制成合金。这类混合材料通常称为金属硅化物（silicide）。加上了金属硅化物的多晶硅栅极有著比较好的导电特性，而且又能够耐受高温制程。此外因为金属硅化物的位置是在栅极表面，离通道区较远，所以也不会对MOSFET的临界电压造成太大影响。
在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自我对准金属硅化物制程”（Self-Aligned Silicide），通常简称salicide制程。
2. 当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时，例如现在的制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度，一种过去没有发现的现象也随之产生，这种现象称为“多晶硅空乏”。当MOSFET的反转层形成时，有多晶硅空乏现象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处，会出现一个空乏层（depletion layer），影响MOSFET导通的特性。要解决这种问题，金属栅极是最好的方案。目前可行的材料包括钽（Tantalum）、钨、氮化钽（Tantalum Nitride），或是氮化钛（Titalium Nitride）。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化，称为FUSI（FUlly-SIlicide polysilicon gate）制程。
各种常见的MOSFET技术
双栅极MOSFET
双栅极（dual-gate）MOSFET通常用在射频（Radio Frequency, RF）积体电路中，这种MOSFET的两个栅极都可以控制电流大小。在射频电路的应用上，双栅极MOSFET的第二个栅极大多数用来做增益、混频器或是频率转换的控制。
空乏式MOSFET
一般而言，空乏式（depletion mode）MOSFET比前述的加强式
（enhancement mode）MOSFET少见。空乏式MOSFET在制造过程中改变掺杂到通道的杂质浓度，使得这种MOSFET的栅极就算没有加电压，通道仍然存在。如果想要关闭通道，则必须在栅极施加负电压。空乏式MOSFET最大的应用是在“常关型”（normally-off）的开关，而相对的，加强式MOSFET则用在“常开型”（normally-on）的开关上。
同样驱动能力的NMOS通常比PMOS所占用的面积小，因此如果只在逻辑门的设计上使用NMOS的话也能缩小芯片面积。不过NMOS逻辑虽然占的面积小，却无法像CMOS逻辑一样做到不消耗静态功率，因此在1980年代中期后已经渐渐退出市场。
功率MOSFET
功率晶体管单元的截面图。通常一个市售的功率晶体管都包含了数千个这样的单元。主条目：功率晶体管
功率MOSFET和前述的MOSFET元件在结构上就有著显著的差异。一般积体电路里的MOSFET都是平面式（planar）的结构，晶体管内的各端点都离芯片表面只有几个微米的距离。而所有的功率元件都是垂直式
（vertical）的结构，让元件可以同时承受高电压与高电流的工作环境。一个功率MOSFET能耐受的电压是杂质掺杂浓度与n-type磊晶层
（epitaxial layer）厚度的函数，而能通过的电流则和元件的通道宽度有关，通道越宽则能容纳越多电流。对于一个平面结构的MOSFET而言，能承受的电流以及崩溃电压的多寡都和其通道的长宽大小有关。对垂直结构的MOSFET来说，元件的面积和其能容纳的电流成大约成正比，磊晶层厚度则和其崩溃电压成正比。
值得一提的是采用平面式结构的功率MOSFET也并非不存在，这类元件主要用在高级的音响放大器中。平面式的功率MOSFET在饱和区的特性比垂直结构的对手更好。垂直式功率MOSFET则多半用来做开关切换之用，取其导通电阻（turn-on resistance）非常小的优点。
DMOS是双重扩散MOSFET（double-Diffused MOSFET）的缩写，它主要用于高压，属于高压MOS管范畴。
以MOSFET实现类比开关
MOSFET在导通时的通道电阻低，而截止时的电阻近乎无限大，所以适合作为类比讯号的开关（讯号的能量不会因为开关的电阻而损失太多）。MOSFET作为开关时，其源极与漏极的分别和其他的应用是不太相同的，因为讯号可以从MOSFET栅极以外的任一端进出。对NMOS开关而言，电压最负的一端就是源极，PMOS则正好相反，电压最正的一端是源极。MOSFET开关能传输的讯号会受到其栅极―源极、栅极―漏极，以及漏极到源极的电压限制，如果超过了电压的上限可能会导致MOSFET烧毁。
MOSFET开关的应用范围很广，举凡需要用到取样持有电路
（sample-and-hold circuits）或是截波电路（chopper circuits）的设计，例如类比数位转换器（A/D converter）或是切换电容滤波器
（switch-capacitor filter）上都可以见到MOSFET开关的踪影。
单一MOSFET开关
当NMOS用来做开关时，其基极接地，栅极为控制开关的端点。当栅极电压减去源极电压超过其导通的临界电压时，此开关的状态为导通。栅极电压继续升高，则NMOS能通过的电流就更大。NMOS做开关时操作在线性区，因为源极与漏极的电压在开关为导通时会趋向一致。
PMOS做开关时，其基极接至电路里电位最高的地方，通常是电源。栅极的电压比源极低、超过其临界电压时，PMOS开关会打开。
NMOS开关能容许通过的电压上限为（Vgate-Vthn），而PMOS开关则为（Vgate+Vthp），这个值通常不是讯号原本的电压振幅，也就是说单一MOSFET开关会有让讯号振幅变小、讯号失真的缺点。
双重MOSFET（CMOS）开关
为了改善前述单一MOSFET开关造成讯号失真的缺点，于是使用一个PMOS加上一个NMOS的CMOS开关成为目前最普遍的做法。CMOS开关将PMOS与NMOS的源极与漏极分别连接在一起，而基极的接法则和NMOS与PMOS的传统接法相同。当输入电压在（VDD-Vthn）和（VSS+Vthp）时，PMOS与NMOS都导通，而输入小于（VSS+Vthp）时，只有NMOS导通，输入大于（VDD-Vthn）时只有PMOS导通。这样做的好处是在大部分的输入电压下，PMOS与NMOS皆同时导通，如果任一边的导通电阻上升，则另一边的导通电阻就会下降，所以开关的电阻几乎可以保持定值，减少讯号失真。
编辑本段MOSFET与IGBT的对比
MOSFET全称功率场效应晶体管。它的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(C)。主要优点：热稳定性好、安全工作区大。缺点：击穿电压低，工作电流小。 IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。特点：击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz
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功率MOSFET雪崩击穿问题分析
来源：华南理工大学电力学院雅达实验室
作者：李意，尹华杰，牟润芝日 13:49
功率MOSFET雪崩击穿问题分析
摘要：分析了功率MOSFET雪崩击穿的原因，以及MOSFET故障时能量耗散与器件温升的关系。和传统的
功率MOSFET雪崩击穿问题分析
摘要：分析了功率MOSFET雪崩击穿的原因，以及MOSFET故障时能量耗散与器件温升的关系。和传统的双极性晶体管相比，反向偏置时MOSFET雪崩击穿过程不存在“热点”的作用，而电气量变化却十分复杂。寄生器件在MOSFET的雪崩击穿中起着决定性的作用，寄生晶体管的激活导通是其雪崩击穿的主要原因。在MOSFET发生雪崩击穿时，器件内部能量的耗散会使器件温度急剧升高。
关键词：双极性晶体管；功率MOSFET；雪崩击穿；寄生晶体管；能量耗散
&&& 功率MOSFET在电力电子设备中应用十分广泛，因其故障而引起的电子设备损坏也比较常见。分析研究功率MOSFET故障的原因、后果，对于MOSFET的进一步推广应用具有重要意义。
&&& 在正向偏置工作时，由于功率MOSFET是多数载流子导电，通常被看成是不存在二次击穿的器件。但事实上，当功率MOSFET反向偏置时，受电气量变化（如漏源极电压、电流变化）的作用，功率MOSFET内部载流子容易发生雪崩式倍增，因而发生雪崩击穿现象。与双极性晶体管的二次击穿不同，MOSFET的雪崩击穿常在高压、大电流时发生，不存在局部热点的作用；其安全工作范围也不受脉冲宽度的影响。
&&& 目前，功率器件的故障研究已经从单纯的物理结构分析过渡到了器件建模理论仿真模拟层面。因此，本文将从理论上推导MOSFET故障时漏极电流的构成，并从微观电子角度对MOSFET雪崩击穿现象作详细分析。同时，还将对故障时器件的能量、温度变化关系作一定的分析。
2&&& 功率MOSFET雪崩击穿理论分析
&&& 图1(a)为MOSFET的体内等效电路，其中含有一个寄生的双极性晶体管V2，它的集电极、发射极同时也是MOSFET的漏极和源极。当MOSFET漏极存在大电流Id，高电压Vd时，器件内电离作用加剧，出现大量的空穴电流，经Rb流入源极，导致寄生三极管基极电势Vb升高，出现所谓的“快回(Snap-back)”现象，即在Vb升高到一定程度时，寄生三极管V2导通，集电极（即漏极）电压快速返回达到晶体管基极开路时的击穿电压（增益很高的晶体管中该值相对较低），从而发生雪崩击穿，如图2所示。
(a)&&& 体内等效电路
(b)&&& 外部分析电路
图1&&& MOSFET等效电路
图2&&& 雪崩击穿时I－V曲线
&&& 下面利用图1的等效电路来分析MOSFET的雪崩击穿。
&&& 假设三极管Vb≈0.6V，Vb=IbRb，则可得MOSFET源极电流
&&& Is=Ido＋γVb=Ido＋γRbIb（1）
式中：Ido为漏极电压较低时的饱和漏极电流；
&&&&&&&&&&& γ为大信号体偏置系数（Large Signal Body-bias Coefficient），定义为
&&&&&&&&&&& γ=ΔId/ΔVb（2）
&&& 当Vb很高时，漏极的强电场引起电子沟道电流的雪崩式倍增，产生的空穴向基极流动。
&&& 如果增益为M，则基极电流为
&&& Ib=Id－Is=MIs－Is=(M－1)(Ido＋γRbIb)(3)
&&& Ib=(4a)
&&& Is=(4b)
&&& Id=(4c)
当发生击穿时，有
&&& IbRb≈0.6V(5)
&&& 由式(4)及式(5)可得击穿时的关系式（下标SB为雪崩击穿标志）为
&&& 1－（6）
M的经验表达式为
&&& M=1/[1－(Vd/BV)n]（7）
式中：BV为漏极同p-基极间电压；
&&&&& n为常数。
由式(4)及式(7)可得
&&& 1＋γRb＋(8a)
&&& 1－=(1＋γRb)(8c)
在“快回”点，由式(8a)和式(8b)得
&&& Id,SB－Ido=(1＋γRb)Ib,SB=＋0.6γ（9）
由式(6)及式(7)得
&&& Vd,SB=BV[1＋Rb(γ＋Ido/0.6)]－1/n(10a)
&&& Vd,SB=BV[0.6/RbId,SB]1/n(10b)
由式(10b)得
&&& ID,SB=Ic,SB＋Id,SB=Ic,SB＋=Ic,SB＋Ib,SB(11)
&&& 式(11)说明，ID,SB为MOSFET漏极寄生三极管集电极在二次击穿时的电流的总和。式(10a)表明，雪崩击穿电压随着Ido或Rb增大而减小。式(10b)则给出了雪崩击穿的边界电压。
&&& 大量的研究和试验表明，Ic,SB很小。另外，由于寄生三极管的增益较大，故在雪崩击穿时，三极管基极电子、空穴重新结合所形成的电流，以及从三极管集电极到发射极空穴移动所形成的电流，只占了MOSFET漏极电流的一小部分；所有的基极电流Ib流过Rb；当Ib使基极电位升高到一定程度时，寄生晶体管进入导通状态，MOSFET漏源极电压迅速下降，发生雪崩击穿故障。
3&&& 功率MOSFET雪崩击穿的微观分析
&&& 双极性器件在发生二次击穿时，集电极电压会在故障瞬间很短时间内（可能小于1ns）衰减几百伏。这种电压锐减主要是由雪崩式注入引起的，主要原因在于：二次击穿时，器件内部电场很大，电流密度也比较大，两种因素同时存在，一起影响正常时的耗尽区固定电荷，使载流子发生雪崩式倍增。
&&& 对于不同的器件，发生雪崩式注入的情况是不同的。对于双极性晶体管，除了电场应力的原因外，正向偏置时器件的热不稳定性，也有可能使其电流密度达到雪崩式注入值。而对于MOSFET，由于是多数载流子器件，通常认为其不会发生正向偏置二次击穿，而在反向偏置时，只有电气方面的原因能使其电流密度达到雪崩注入值，而与热应力无关。以下对功率MOSFET的雪崩击穿作进一步的分析。
&&& 如图1所示，在MOSFET内部各层间存在寄生二极管、晶体管（三极管）器件。从微观角度而言，这些寄生器件都是器件内部PN结间形成的等效器件，它们中的空穴、电子在高速开关过程中受各种因素的影响，会导致MOSFET的各种不同的表现。
&&& 导通时，正向电压大于门槛电压，电子由源极经体表反转层形成的沟道进入漏极，之后直接进入漏极节点；漏极寄生二极管的反向漏电流会在饱和区产生一个小的电流分量。而在稳态时，寄生二极管、晶体管的影响不大。
&&& 关断时，为使MOSFET体表反转层关断，应当去掉栅极电压或加反向电压。这时，沟道电流（漏极电流）开始减少，感性负载使漏极电压升高以维持漏极电流恒定。漏极电压升高，其电流由沟道电流和位移电流（漏极体二极管耗尽区生成的，且与dVDS/dt成比例）组成。漏极电压升高的比率与基极放电以及漏极耗尽区充电的比率有关；而后者是由漏－源极电容、漏极电流决定的。在忽略其它原因时，漏极电流越大电压会升高得越快。
&&& 如果没有外部钳位电路，漏极电压将持续升高，则漏极体二极管由于雪崩倍增产生载流子，而进入持续导通模式（Sustaining Mode）。此时，全部的漏极电流（此时即雪崩电流）流过体二极管，而沟道电流为零。
&&& 由上述分析可以看出，可能引起雪崩击穿的三种电流为漏电流、位移电流（即dVDS/dt电流）、雪崩电流，三者理论上都会激活寄生晶体管导通。寄生晶体管导通使MOSFET由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态，从而发生雪崩击穿。
4&&& 雪崩击穿时能量与温度的变化
&&& 在开关管雪崩击穿过程中，能量集中在功率器件各耗散层和沟道中，在寄生三极管激活导通发生二次击穿时，MOSFET会伴随急剧的发热现象，这是能量释放的表现。以下对雪崩击穿时能量耗散与温升的关系进行分析。
&&& 雪崩击穿时的耗散能量与温升的关系为
&&&&&&& ΔθM∝（12）
&&& 雪崩击穿开始时，电流呈线性增长，增长率为
&&& di/dt=VBR/L（13）
式中：VBR为雪崩击穿电压(假设为恒定)；
&&&&& L为漏极电路电感。
&&& 若此时MOSFET未发生故障，则在关断时刻之前，其内部耗散的能量为
&&& E=LIo2（14）
式中：E为耗散能量；
&&&&& Io为关断前的漏极电流。
&&& 随着能量的释放，器件温度发生变化，其瞬时释放能量值为
&&& P(t)=i(t)v=i(t)VBR（15）
&&& i(t)=Io－t（16）
到任意时刻t所耗散的能量为
&&& E=Pdt=L(Io2－i2)（17）
在一定时间t后，一定的耗散功率下，温升为
&&&&&&& Δθ=PoK（18）
式中：K=，其中ρ为密度；k为电导率；c为热容量。
&&& 实际上耗散功率不是恒定的，用叠加的方法表示温升为
&&&&&&& Δθ=PoK－δPnK（19）
式中：δPn=δinVBR=VBRδt；
&&&&& Po=IoVBR；
&&&&&&&&&&& δt=tn－tn－1；
&&&&& tm=t=。
则温升可以表示为
&&&&&&& Δθ(t)=PoK－Kδt（20）
可以表示成积分形式为
&&&&&&& Δθ(t)=PoK－Kdτ(21)
在某一时刻t温升表达式为
&&&&&&& Δθ(t)=PoK－K(22)
将温升表达式规范化处理，得
式中：tf=，为电流i=0的时刻；
&&&&& ΔθM为最大温升(t=tf/2时)。
&&& 则由式(22)得
&&&&&&& Δθ=PoK=IoVBRK(24)
&&& 由上面的分析过程可以看出，在功率MOSFET发生雪崩击穿时，器件温度与初始电流，以及器件本身的性能有关。在雪崩击穿后如果没有适当的缓冲、抑制措施，随着电流的增大，器件发散内部能量的能力越来越差，温度上升很快，很可能将器件烧毁。在现代功率半导体技术中，MOSFET设计、制造的一个很重要方面就是优化单元结构，促进雪崩击穿时的能量耗散能力。
&&& 与一般双极性晶体管的二次击穿不同，MOSFET的雪崩击穿过程主要是由于寄生晶体管被激活造成的。MOSFET由于工作在高频状态下，其热应力、电应力环境都比较恶劣，一般认为如果外部电气条件达到寄生三极管的导通门槛值，则会引起MOSFET故障。在实际应用中，必须综合考虑MOSFET的工作条件以及范围，合理地选择相应的器件以达到性能与成本的最佳优化。另一方面，在发生雪崩击穿时，功率器件内部的耗散功率会引起器件的发热，可能导致器件烧毁。在新的功率MOSFET器件中，能量耗散能力、抑制温升能力的已经成为一个很重要的指标。
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2008年中国功率器件市场增长率仅达到了7.8%，这也是2004年以来，中国功率器件市场增长率首次降到10%以下。在功率器件各类产品中，MOSFET是市场需求增速最快的一类产品。虽然受全球金融危机影响，2008年中国出口受到很大抑制，部分以及等整机产品产量增长率出现了一定程度的下降，但由于笔记本产量仍保持了20%以上的增长速度，产量增长率也保持在50%以上，在一定程度上缓解了MOSFET市场发展压力。2008年，中国MOSFET市场需求量为198.2亿个，比2007年增长了11.9%。图1：年中国MOSFET市场规模(数量)。数据来源：赛迪顾问 2009，01从应用结构上看，由于MOSFET在便携式产品、LCD TV等消费电子产品中的广泛应用，使得消费电子成为MOSFET最大的应用市场。而凭借着在主板中的大量应用计算机位列其后，工业控制则是第三大应用领域。未来，受到上网本、山寨笔记本的带动，中国笔记本产量仍将保持快速增长，主板仍将成为中国MOSFET市场快速发展的主要推动力。而受到金融危机的影响，中国手机产量增长率在2008年出现大幅下降，2009年甚至将出现负增长，由于MOSFET在手机中主要用在手机充电保护，手机产量增速放缓将在一定程度上影响该领域对于MOSFET的需求。从市场需求量上看，主板、Light ballast、NB是位于前三位的终端应用产品。从电压结构上看，由于小于200V的低压MOSFET主要用在主板、NB以及大量便携式产品中，使用范围最为广泛，市场需求量最大，这其中小于50V的MOSFET市场需求量位于各电压级别之首，2008年市场需求量为110.4亿个。而在大于200V的高压MOSFET市场中，用于AC/DC的600－800V MOSFET产品需求量最大，2008年市场需求量达到34.9亿个。未来，在主板、笔记本、液晶电视以及便携式产品的带动下，低压MOSFET将具有更大的发展空间，也成为厂商竞争的重点。从封装结构上看，TO－220、SOT－23/TO－92/SC－70/SC－75、SO－8、DPAK是销售量位于前四位的MOSFET封装形式。其中TO－220主要应用在AC/DC中，而SOT－23/TO－92/SC－70/SC－75、SO－8由于其封装尺寸比较小，主要应用在消费电子领域以及NB等计算机整机产品中。在主板产品中则主要采用了DPAK、LFPAK封装形式的MOSFET产品。未来，随着终端产品对于体积、能效等要求的不断提升，MOSFET封装将向着小型化、良好的散热性以及更高的功率密度方向发展，更多的新型封装产品将会陆续出现。从电流结构上看，电流小于10A的产品占据市场主流位置，这其中又以电流小于5A的产品占据最大份额，2008年电流小于5A的MOSFET需求量为100.6亿个。而笔记本产量的持续快速增加则带动了电流在20－100A MOSFET的市场需求，未来随着CPU供电等级的逐步降低将会对MOSFET输出电流提出更高的要求，如何最大程度的降低导通电阻，提升输出电流能力将成为MOSFET企业的努力目标。本土企业快速崛起将改变市场竞争格局目前，在MOSFET市场竞争中依旧是欧美厂商占据优势地位。2008年排名前10位的MOSFET企业中，欧美厂商占据八席。凭借着在低压和高压MOSFET领域的良好表现，2008年，Fairchild以26.8亿元占据市场首位，ST以0.8亿元之差列第二位。Vishay则凭借着传统低压MOSFET的优势地位和高压产品的陆续导入，市场份额有所提升，2008年位于市场第三位，销售额达到17.7亿元。IR则由于缺少了高压MOSFET部分，市场份额有所下滑，位列第五位。除占据市场优势地位的欧美企业外，中国台湾企业和韩国企业也占有一定的市场份额。在中国台湾企业中茂达、富鼎都具有一定的竞争实力，与欧美企业从事产品制造生产不同，台湾企业多以设计企业的形式出现。从市场定位上看，中国台湾企业也更多的专注于消费领域和主板用MOSFET，良好的产品性价比是中国台湾企业取胜的关键。而在韩国企业中，AUK、KEC、semiHOW、pdsemi是代表企业，在国内占有一定的市场份额，这其中AUK最具产品性价比，也是在国内出货量比较大的韩国企业、semiHOW技术实力则最强，但近年来，在中国台湾企业的冲击下，韩国企业在国内市场发展放缓。相对于中国台湾企业的快速发展和韩国企业在国内市场上的发展放缓，近年来本土企业在MOSFET产品上正在逐步发力，并且由代工服务向自主设计、自主研发转变。早期，我国从事MOSFET产品代工服务的主要企业包括华虹NEC、无锡华润上华以及吉林华微，其中华虹NEC为AOS代工、华润上华、吉林华微则主要为飞兆代工。考虑到技术流失的问题，国外大厂在国内进行代工服务十分谨慎，其产品主要以低端MOSFET为主，如飞兆放在国内代工的产品全部为低端平面式MOSFET，产品技术保密性要求已经非常低。而随着市场的逐步发展，在原有代工服务的基础上，近年来国内陆续涌现出一批MOSFET设计企业，而一些有实力的本土分立器件制造企业为了摆脱现有低端产品价格竞争激烈、利润率低的现状，正在逐步提升自身产品结构导入利润率更高的MOSFET产品。2008年11月，吉林华微投资兴建的6代线建成投产，该生产线将主要从事MOSFET自主产品的生产。除吉林华微外，比亚迪也已成功开发并量产了多款MOSFET产品。从现在的发展情况上看，虽然国内企业还处于起步阶段，但发展势头迅猛，由于本土企业在价格上的突出优势，在一些领域中本土企业MOSFET产品有望快速切入。而本土企业的产品放量必定会带动此类产品市场价格的快速下滑，届时现有MOSFET大厂必定将面临极大的竞争压力，在本土企业的冲击下，市场竞争格局极有可能将重新洗牌。作者：王莹咨询师半导体产业研究中心赛迪顾问
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什么是mosfet ？
　　MOSFET是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。所谓功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器件。
　　从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会人得到错误的印象。因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期MOSFET的栅极（gate electrode）使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。
　　今日半导体元件的材料通常以硅（silicon）为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germanium process, SiGe process）。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（gallium arsenide,GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造MOSFET元件。
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