MOSFET

MOSFET，金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(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(shù)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” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱尚包括NMOS、PMOS等。

本文主要涉及到的內(nèi)容有：

（1）半導(dǎo)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(hào)理解；

（6）MOSFET主要參數(shù)。

（一）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(gè)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(jiǎn)單話來(lái)說(shuō)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，這都是后話。

如何實(shí)現(xiàn)通？當(dāng)材料內(nèi)部具有自由移動(dòng)的電子（負(fù)電荷）或者空穴（正電荷）的時(shí)候就是導(dǎo)通的（假如說(shuō)電子或空穴被晶格束縛，那么同樣無(wú)法導(dǎo)電），存在載流子的時(shí)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?，從而達(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(wú)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(lái)，所以沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷。

而當(dāng)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(jié)構(gòu)中就有了除了最外層4個(gè)以外的一個(gè)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(gè)電子構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即形成一個(gè)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(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(fù)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(jié)構(gòu)中的電子和空穴都跑掉了，那么這個(gè)區(qū)域不存在自由移動(dòng)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(chǎng)耗盡）。牢牢記住，耗盡區(qū)內(nèi)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(qū)域時(shí)而導(dǎo)電時(shí)而斷開(kāi)。

（二）MOSFET 核心部分

1、MOSFET是什么？為什么叫MOSFET？

MOSFET全稱Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。名字一長(zhǎng)串，一看就記不住。相信大家跟我應(yīng)該是一樣的感覺(jué)。但這個(gè)名字實(shí)際上是跟其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（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(dǎo)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(qū)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，其中綠色的線為電場(chǎng)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(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(qū)域，也就是耗盡區(qū)（depletion region）。

而施加的電壓足夠高時(shí)，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(dòng)，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（之所以叫反型層是指在電場(chǎng)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(kāi)始形成反型層時(shí)施加的電壓稱為 ，即門檻電壓。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）。這到底和MOSFET工作有什么關(guān)系？

在維基百科上看到的導(dǎo)電溝道形成的圖很有意思，分享給大家：

（三）MOSFET 工作原理

以平面耗盡型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(huì)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(chǎng)的時(shí)是斷開(kāi)的，因此該結(jié)構(gòu)是Normal off的結(jié)構(gòu)。

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。當(dāng)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(dāng)VGS大于VTH，形成反型層，如下圖所示。

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)。

（四）MOSFET 輸出特性

如下圖所示為增強(qiáng)型N溝道MOS輸出特性。

對(duì)于上圖所示的MOS，有三種工作區(qū)域：

1）夾斷區(qū)(cutoff mode)

當(dāng)VGS＜Vth，時(shí)MOS處于此工作區(qū)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，其大小電流滿足：

2）線性區(qū)(linear mode)

當(dāng)VGS＞Vth且VDS＜VGS－Vth時(shí)為此區(qū)域，電流滿足：

3）飽和區(qū)(saturation mode)

當(dāng)VGS＞Vth且VDS≥（VGS－Vth）時(shí)為飽和區(qū)，電流滿足：

（五）MOSFET 符號(hào)與命名

前面僅僅是談到了增強(qiáng)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(hào)怎么記住呢？有規(guī)律！

1、門極符號(hào)

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(hào)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(huì)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。

2、溝道形狀

增強(qiáng)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(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。

3、箭頭方向

對(duì)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(gè)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。

（六）MOSFET主要參數(shù)

MOSFET參數(shù)很多，包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數(shù)：

1、IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。

2、UP—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)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(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。

4、gM—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓UGS—對(duì)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(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。

5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過(guò)IDSM。
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