MOSFET概述/分類/結構/工作原理

MOSFET基本概述

MOSFET由MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體)+FET(Field Effect Transistor場效應晶體管)這個兩個縮寫組成。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，產生電場的效應來控制半導體(S)導電溝道開關的場效應晶體管。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效應管。

市面上大家所說的功率場效應晶體管通常指絕緣柵MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)。實際上場效應管分為結型和絕緣柵兩種不同的結構。場效應管是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。它僅靠半導體中的多數(shù)載流子導電，又稱為單極型晶體管。結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(Static Induction Transistor-SIT)。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，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功率場效應晶體管，大多數(shù)用作開關和驅動器，工作于開關狀態(tài)，耐壓從幾十伏到上千伏，工作電流可達幾安培到幾十安。功率MOSFET基本上都是增強型MOSFET，它具有優(yōu)良的開關特性。

MOSFET的分類

MOSFET的種類：按導電溝道類型可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：耗盡型-當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道;增強型-對于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。

MOS管結構原理圖解

(以N溝道增強型為例)

N溝道增強型MOS管結構如圖5所示。它以一塊低摻雜的P型硅片為襯底，利用擴散工藝制作兩個高摻雜的N+區(qū)，并引入兩個電極分別為源極S(Source)和漏極D(Drain),半導體上制作一層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，柵極和襯底各相當于一個極板，中間是絕緣層，形成電容。當柵-源電壓變化時，將改變襯底靠近絕緣層處感應電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

MOS管工作原理詳解

(N溝道增強型為例)

當柵-源之間不加電壓時即VGS=0時，源漏之間是兩只背向的PN結。不管VDS極性如何，其中總有一個PN結反偏，所以不存在導電溝道。

當UDS=0且UGS>0時，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 SiO2一側的空穴，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層，如圖6所示

當UGS增大時，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N型薄層，稱為反型層，如圖7所示。這個反型層就構成了漏-源之間的導電溝道。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，導電溝道電阻越小。

當VGS>VT且VDS較小時，基本MOS結構的示意圖如圖8-1所示。圖中反型溝道層的厚度定性地表明了相對電荷密度，這時的相對電荷密度在溝道長度方向上為一常數(shù)。相應的ID-VDS特性曲線如圖8-1所示。

當VGS>VT且VDS增大時，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。漏端的溝道電導減小，從而ID-VDS特性曲線的斜率減小，如圖8-2所示。

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

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

MOSFET的特性曲線

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導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，導通溝道電阻越小，ID的增長速度越快。MOSFET有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、飽和區(qū)和非飽和區(qū)，對應的輸出特性曲線如圖10所示。若電力 MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。

審核編輯：湯梓紅