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。    

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）。

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。
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。