MOSFET工作原理|MOSFET工作特性|MOSFET主要參數 命名與符號-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-07-03
MOSFET，金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場(chǎng)效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類(lèi)型，通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)尚包括NMOS、PMOS等。
本文主要涉及到的內容有：
（1）半導體物理最基本的概念：載流子、溝道、耗盡層、反型層；
（2）MOSFET核心部分；
（3）MOSFET工作基本原理；
（4）MOSFET工作特性分析；
（5）MOSFET命名與符號理解；
（6）MOSFET主要參數。
金屬材料可以導電，絕緣材料不導電，那怎么樣實(shí)現一個(gè)東西既能夠導電又能夠不導電？那就是半導體。MOSFET作為一種半導體器件，我們需要它實(shí)現的功能按最簡(jiǎn)單話(huà)來(lái)說(shuō)就是既能夠實(shí)現電路的通，又能夠實(shí)現電路的斷。放在數字電路里，這就是實(shí)現0和1的方式，在功率電路里，這就是實(shí)現PWM轉換器工作的基本手段，這都是后話(huà)。
如何實(shí)現通？當材料內部具有自由移動(dòng)的電子（負電荷）或者空穴（正電荷）的時(shí)候就是導通的（假如說(shuō)電子或空穴被晶格束縛，那么同樣無(wú)法導電），存在載流子的時(shí)候材料是導通的。如何實(shí)現斷？那就是將一定區域內的自由載流子去除，材料就不能夠導電了，從而達到阻斷電流的作用。
我們目前用得最多的半導體材料，比如硅（Si），是Ⅳ族元素，本身最外層電子為4，可以形成穩定的晶格結構，因此它本身是無(wú)法導電的，如下圖所示，所有電子和原子核都被牢牢束縛在穩定的結構中出不來(lái)，所以沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷。
而當材料中摻雜了其他元素，比如說(shuō)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，結構中就有了除了最外層4個(gè)以外的一個(gè)電子（即多數載流子為電子），摻雜了Ⅲ族元素，結構中就缺了一個(gè)電子構成穩定結構，即形成一個(gè)空穴（即多數載流子為空穴）。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(gè)電子，四個(gè)電子參與形成共價(jià)鍵，因此還剩余一個(gè)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(gè)電子，只有三個(gè)電子用于形成共價(jià)鍵，因此留下一個(gè)空穴。為了方便，可以直接將電子和空穴理解成負電荷和正電荷。
由于帶電粒子在電場(chǎng)中會(huì )發(fā)生移動(dòng)，假如在電場(chǎng)的作用下，使得結構中的電子和空穴都跑掉了，那么這個(gè)區域不存在自由移動(dòng)的載流子，因此區域就不再導電，這樣的區域稱(chēng)為耗盡區（載流子被電場(chǎng)耗盡）。牢牢記住，耗盡區內不存在自由移動(dòng)的載流子，因此是斷開(kāi)狀態(tài)。MOS的核心原理就是利用電場(chǎng)的作用，使得一定區域時(shí)而導電時(shí)而斷開(kāi)。
1、MOSFET是什么？為什么叫MOSFET？
MOSFET全稱(chēng)Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管。名字一長(cháng)串，一看就記不住。相信大家跟我應該是一樣的感覺(jué)。但這個(gè)名字實(shí)際上是跟其結構息息相關(guān)，只要理解它，記住并不是難事。為什么這么說(shuō)，我們看下圖中的核心結構（這不是MOSFET，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、摻雜的半導體材料，連起來(lái)不就是Metal-Oxide-Semiconductor了嗎，有其名必有其因。
2、那何為Field-Effect Transistor？
這里的Field自然指電場(chǎng)，所以FET實(shí)際上就是指這種器件是電場(chǎng)驅動(dòng)的晶體管。如果在上下極板加上正電壓，就會(huì )在材料中建立電場(chǎng)，如下圖所示，其中綠色的線(xiàn)為電場(chǎng)線(xiàn)。
由于圖中這里所示為P摻雜（Ⅲ族元素摻雜），紅色區域中存在空穴（也就是正電荷），在外加電場(chǎng)的作用下，正電荷就會(huì )往下離開(kāi)，從而在上表面形成不含有自由載流子的區域，也就是耗盡區（depletion region）。
而施加的電壓足夠高時(shí)，將把耗盡層內的空穴進(jìn)一步驅趕，并吸引電子往上表面運動(dòng)，在上表面堆積可以導電的電子，從而形成N型半導體，從而形成反型層（之所以叫反型層是指在電場(chǎng)作用下，該區域內的自由載流子與摻雜形成的半導體載流子相反）。一般我們將開(kāi)始形成反型層時(shí)施加的電壓稱(chēng)為 ，即門(mén)檻電壓。反型層也就是我們后面要提到的導電溝道（沿水平方向形成導電溝道）。這到底和MOSFET工作有什么關(guān)系？
在維基百科上看到的導電溝道形成的圖很有意思，分享給大家：
以平面耗盡型N溝道MOSFET為例，基本結構如下圖所示?？梢钥吹?，從左到右為NPN的摻雜，在擴散作用下，會(huì )自然形成像圖中所示的深紅色的耗盡區(depletion region)，根據前面所述，耗盡區是不能導電的，因此漏極(Drain)到源極(Source)在未加外加電場(chǎng)的時(shí)是斷開(kāi)的，因此該結構是Normal off的結構。
注意到，圖中正中心區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。當VGS＞0，會(huì )開(kāi)始在氧化層下面首先形成新的耗盡層，如下如所示。
當VGS大于VTH，形成反型層，如下圖所示。
由于反型層相當于N摻雜的半導體，因此D和S直接直接連通，因此MOSFET導電溝道形成，進(jìn)入導通狀態(tài)。
如下圖所示為增強型N溝道MOS輸出特性。
對于上圖所示的MOS，有三種工作區域：
1）夾斷區(cutoff mode)
當VGS＜Vth，時(shí)MOS處于此工作區域，基本處于斷開(kāi)狀態(tài)，但是此時(shí)仍存在較微弱的反型層，存在漏電流，其大小電流滿(mǎn)足：
2）線(xiàn)性區(linear mode)
當VGS＞Vth且VDS＜VGS－Vth時(shí)為此區域，電流滿(mǎn)足：
3）飽和區(saturation mode)
當VGS＞Vth且VDS≥（VGS－Vth）時(shí)為飽和區，電流滿(mǎn)足：
前面僅僅是談到了增強型P溝道的MOSFET，而實(shí)際上的MOSFET是一個(gè)大家族，還有很多兄弟姐妹，下圖中除了JFET以外都是MOSFET。這么多符號怎么記住呢？有規律！
1、門(mén)極符號
MOSFET不同于JFET，在Gate是不與導電溝道相連的，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(xiàn)，或者一條豎線(xiàn)與三段虛線(xiàn)，而JFET則是一條豎線(xiàn)。另外，細心的你可能還會(huì )發(fā)現，有的Gate形狀為“L”，有的則是“T”，如果是“L”，意味著(zhù)Gate和Source在物理結構上靠得更近。
2、溝道形狀
增強型MOSFET在未加外部電壓時(shí)為斷開(kāi)(normal off)，而耗盡型MOSFET則在未加外部電壓時(shí)為導通（normal on）。所以增強型MOSFET的溝道為三段虛線(xiàn)，意味著(zhù)還未導通，而耗盡型MOSFET的溝道則是一條直線(xiàn)。
3、箭頭方向
對于含有bulk connection的MOSFET，區分P溝道與N溝道就是靠箭頭方向。箭頭方向遵循一個(gè)準則，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。
MOSFET參數很多，包括直流參數、交流參數和極限參數，但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數：
1、IDSS—飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應管中，柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。
2、UP—夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應管中，使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。
3、UT—開(kāi)啟電壓。是指增強型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導通時(shí)的柵極電壓。
4、gM—跨導。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量場(chǎng)效應管放大能力的重要參數。
5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在場(chǎng)效應管上的工作電壓必須小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場(chǎng)效應管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí)，場(chǎng)效應管實(shí)際功耗應小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源電流。是一項極限參數，是指場(chǎng)效應管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過(guò)的最大電流。場(chǎng)效應管的工作電流不應超過(guò)IDSM。
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