MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作特性

一、引言

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱MOSFET）是現(xiàn)代電子學(xué)領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵元件之一。它在集成電路、功率電子、模擬電路等領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。本文將詳細(xì)闡述MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作特性，并通過(guò)數(shù)字和信息進(jìn)行具體說(shuō)明。

二、MOSFET的結(jié)構(gòu)

MOSFET由金屬層（M-金屬鋁）、氧化物層（O-絕緣層SiO2）和半導(dǎo)體層（S）組成，其名稱正是由這三部分的首字母縮寫而來(lái)。MOSFET的基本結(jié)構(gòu)包括柵極（G）、漏極（D）、源極（S）和體（B）。其中，柵極是控制MOSFET通斷的關(guān)鍵部分，漏極和源極分別用于電流的輸入和輸出，體則連接至特定的電壓源。

N溝道MOSFET

N溝道MOSFET的源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上。在結(jié)構(gòu)上，它通常以一塊低摻雜的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)，分別作為源極和漏極。在P型襯底和N+區(qū)之間，有一層二氧化硅絕緣層，其上方制作一層金屬鋁作為柵極。這樣的結(jié)構(gòu)使得柵極和襯底之間形成了一個(gè)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。

P溝道MOSFET

與N溝道MOSFET相反，P溝道MOSFET的源極和漏極接在P型半導(dǎo)體上。其結(jié)構(gòu)與N溝道MOSFET類似，只是摻雜類型和電壓極性相反。

三、MOSFET的工作特性

MOSFET的工作特性主要包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)方面。

靜態(tài)特性

（1）漏極伏安特性

漏極伏安特性也稱輸出特性，可以分為三個(gè)區(qū)：可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ、飽和區(qū)Ⅱ和擊穿區(qū)Ⅲ。在可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ，漏極電流iD隨漏源電壓UDS的增加而線性增長(zhǎng)，接近飽和區(qū)時(shí)，iD變化減緩。進(jìn)入飽和區(qū)Ⅱ后，即使UDS繼續(xù)增大，iD也維持恒定。當(dāng)UDS過(guò)大時(shí)，元件會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，進(jìn)入擊穿區(qū)Ⅲ。

（2）轉(zhuǎn)移特性

轉(zhuǎn)移特性描述了漏極電流ID與柵源極電壓UGS之間的關(guān)系。當(dāng)UGS大于開啟電壓UGS(th)時(shí)，MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，ID隨UGS的增加而增加。轉(zhuǎn)移特性的斜率gm=△ID/△UGS稱為跨導(dǎo)，表示MOSFET柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。

動(dòng)態(tài)特性

MOSFET的動(dòng)態(tài)特性主要體現(xiàn)在其開關(guān)速度上。由于MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應(yīng)，因此開關(guān)時(shí)間很短，典型值為20ns。影響開關(guān)速度的主要因素是器件極間電容，包括柵源電容CGS、柵漏電容CGD和輸入電容Cin。在開關(guān)過(guò)程中，這些電容需要進(jìn)行充、放電，從而影響開關(guān)速度。

四、MOSFET的分類

MOSFET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和增強(qiáng)型。耗盡型MOSFET在柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；而增強(qiáng)型MOSFET則需要柵極電壓大于（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。

五、結(jié)論

MOSFET以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的工作特性在電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作特性的深入了解，我們可以更好地利用這一關(guān)鍵元件在電路設(shè)計(jì)、功率電子、模擬電路等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。