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MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

半導(dǎo)體基礎(chǔ) ? 來源:半導(dǎo)體基礎(chǔ) ? 作者:半導(dǎo)體基礎(chǔ) ? 2022-02-10 15:48 ? 次閱讀

MOSFET基本概述

MOSFET由MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體)+FET(Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管)這個(gè)兩個(gè)縮寫組成。即通過給金屬層(M-金屬鋁)的柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)的源極施加電壓,產(chǎn)生電場(chǎng)的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)導(dǎo)電溝道開關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離,MOSFET因此又被稱為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。

市面上大家所說的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常指絕緣柵MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡(jiǎn)稱功率MOSFET(Power MOSFET)。實(shí)際上場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵兩種不同的結(jié)構(gòu)。場(chǎng)效應(yīng)管是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電,又稱為單極型晶體管。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor-SIT)。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,需要的驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)速度快,工作頻率高,熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR,但其電流容量小,耐壓低,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,大多數(shù)用作開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器,工作于開關(guān)狀態(tài),耐壓從幾十伏到上千伏,工作電流可達(dá)幾安培到幾十安。功率MOSFET基本上都是增強(qiáng)型MOSFET,它具有優(yōu)良的開關(guān)特性。

MOSFET的分類

MOSFET的種類:按導(dǎo)電溝道類型可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為:耗盡型-當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道;增強(qiáng)型-對(duì)于N(P)溝道器件,柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道,功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

MOS管結(jié)構(gòu)原理圖解

(以N溝道增強(qiáng)型為例)

N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)如圖5所示。它以一塊低摻雜的P型硅片為襯底,利用擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜的N+區(qū),并引入兩個(gè)電極分別為源極S(Source)和漏極D(Drain),半導(dǎo)體上制作一層SiO2絕緣層,再在SiO2上面制作一層金屬鋁Al,引出電極,作為柵極G(Gate)。通常將襯底與源極接在一起使用。這樣,柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板,中間是絕緣層,形成電容。當(dāng)柵-源電壓變化時(shí),將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少,從而控制漏極電流的大小。

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MOS管工作原理詳解

(N溝道增強(qiáng)型為例)

當(dāng)柵-源之間不加電壓時(shí)即VGS=0時(shí),源漏之間是兩只背向的PN結(jié)。不管VDS極性如何,其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏,所以不存在導(dǎo)電溝道。

當(dāng)UDS=0且UGS>0時(shí),由于SiO2的存在,柵極電流為零。但是柵極金屬層將聚集正電荷.它們排斥P型襯底靠近 SiO2一側(cè)的空穴,使之剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子區(qū),形成耗盡層,如圖6所示

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

當(dāng)UGS增大時(shí),一方面耗盡層增寬,另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間,形成一個(gè)N型薄層,稱為反型層,如圖7所示。這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏-源之間的導(dǎo)電溝道。使溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓UGS(th)/VT。UGS電壓越大,形成的反層型越厚,導(dǎo)電溝道電阻越小。

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

當(dāng)VGS>VT且VDS較小時(shí),基本MOS結(jié)構(gòu)的示意圖如圖8-1所示。圖中反型溝道層的厚度定性地表明了相對(duì)電荷密度,這時(shí)的相對(duì)電荷密度在溝道長(zhǎng)度方向上為一常數(shù)。相應(yīng)的ID-VDS特性曲線如圖8-1所示。

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

當(dāng)VGS>VT且VDS增大時(shí),由于漏電壓增大,漏端附近的氧化層壓降減小,這意味著漏端附近的反型層電荷密度也將減小。漏端的溝道電導(dǎo)減小,從而ID-VDS特性曲線的斜率減小,如圖8-2所示。

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

當(dāng)VGS>VT且VDS增大到漏端的氧化層壓降等于VT時(shí),漏極處的反型層電荷密度為零,此時(shí)漏極處的電導(dǎo)為零,這意味著ID-VDS的特性曲線的斜率為零,稱為預(yù)夾斷,如圖8-3所示。

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

當(dāng)VGS>VT且VDS>VDS(sat)時(shí),溝道中反型電荷為零的點(diǎn)移向源端。如果UDS繼續(xù)增大,夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng),如圖所示,而且UDS的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對(duì)漏極電流的阻力,漏電流ID為一常數(shù),這種情形在ID-VDS對(duì)應(yīng)于飽和區(qū)(恒流區(qū)),如圖8-4所示。

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

MOSFET的特性曲線

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí),ID與UGS的關(guān)系近似線性,曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。圖中隨著VGS增大,ID的斜率增大。原因是由于VGS增大,形成的反層型越厚,導(dǎo)通溝道電阻越小,ID的增長(zhǎng)速度越快。MOSFET有三個(gè)工作區(qū)域:截止區(qū)、飽和區(qū)和非飽和區(qū),對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線如圖10所示。若電力 MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài),即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。

MOSFET概述/分類/結(jié)構(gòu)/工作原理

審核編輯:湯梓紅

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