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MOSFET管

MOSFET全称为Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,译为金属氧化物半导体场效应管。是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为N型与P型的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET。
SOT-23封装MOSFET
图 MOSFET
 
MOSFET的发展前景
近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升,除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上,也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。
例如在数字电路中,如微处理器运算效能不断提升,带给深入研发新一代MOSFET更多的动力,这也使得MOSFET本身的操作速度越来越快,几乎成为各种半导体截止状态,这使得从电源功率损耗,只有在逻辑门主动元件中最快的一种。MOSFET在数位讯号处理上最主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明,这种结构最大的好处是理论上不会有静态的(logic gate)的切换动作时才有电流通过。CMOS逻辑门最基本的成员是CMOS反相器(inverter),而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样,同一时间内必定只有一种晶体管(NMOS或是PMOS)处在导通的状态下,另一种必定是端到接地端不会有直接导通的路径,大量节省了电流或功率的消耗,也降低了积体电路的发热量。
在模拟电路中,为了减少在印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)上使用的积体电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积,很多原本独立的类比芯片与数位芯片被整合至同一个芯片内。MOSFET原本在数位积体电路上就有很大的竞争优势,在类比积体电路上也大量采用MOSFET之后,把这两种不同功能的电路整合起来的困难度也显著的下降。另外像是某些混合讯号电路(Mixed-signal circuits),如类比/数位转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),也得以利用MOSFET技术设计出效能更好的产品。
 
MOSFET的结构
MOSFET大体分为两大类,四种类型。
1 增强型MOSFET
N沟道增强型MOSFET
P沟道增强型MOSFET
 
2 耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOSFET
P沟道耗尽型MOSFET
 
注:这里对增强型N沟道MOSFET进行说明,其他的类型在这里不多做赘述。
N沟道增强型MOSFET主要由这么几部分构成。金属层,氧化层(SiO2),N型半导体,P型半导体。具体的结构如下图所示。
增强型N沟道MOSFET结构剖面
图 增强型N沟道MOSFET结构剖面
 
MOSFET将P型半导体作为基底。在P型半导体上加入了两个N型半导体。N型半导体之间不相连。再在基体表面覆盖一层氧化层(SIO2)。然后在氧化层上刻蚀出两个通道用导体分别联通氧化层之下的N型半导体,形成源极与漏极。最后将两个N型半导体之间的上方区域,在氧化层之上覆盖一层金属层,形成栅极。其等效的电路符号如下图。
 
金属氧化物半导体场效应管电路符号
图 电路符号
 
MOSFET的工作原理
要理解MOSFET管的原理,必须要对P型与N型半导体之间的载流子流动有所了解。半导体导通时,是由于外加正向电压作用,加剧了载流子的扩散,使多子可以通过空间电荷区达到对面。在加反向电压时,多子的扩散受到限制,多子受到吸引向电源端聚集,使空间电荷区变厚。这里以仍以增强型N沟道MOSFET为例。
当栅极无电压,只在漏极与源极之间加电压时,管子并没导通,因为两个N型半导体间并无电子流动。如下图所示。
MOSFET管工作原理
图 工作原理
 
此时我们向栅极施加正向电压。为了分析效果,我们暂设漏极与源极间无电压。如下图所示。
 
MOSFET管工作原理
图 工作原理
 
当栅极被施加了正向电压后,N型半导体中的电子(多数载流子)受到吸引而向栅极上的金属层上聚集,但由于氧化层的阻隔,电子并没有能到达金属层,就在氧化层上逐渐形成了电子层。当栅极电压VGS逐渐增大,被吸引出的电子越来越多,最后将两个N型半导体连接起来,形成沟道。在此基础上,对漏极与源极间施加电压,那么就可以实现导通了。如下图所示。
MOSFET管工作原理
图 工作原理
 
漏极与源极间施加电压VDS后,两个N型半导体之间的电子层受到外加电场的作用,使其产生的定向流动,电子的流动方向从源极向漏极流动,所以产生了一个从漏极向源极的电流。使漏极与源极间导通。而通过控制调节VDS的大小可以实现对沟道的控制。因为VGD=VGS-VDS,当VDS很小的时候,VGD≈VGS。此时VDS的大小与电流ID成线性关系。当VDS持续变大,VGD则变小,导致沟道变窄,阻止增大,使电流ID的增加幅度变小。当VDS继续增加,使VGD等于栅极的开启电压VG(th)时,在近漏端沟道出现了预夹断点。若VDS继续上升则夹断点会往源极方向移动,出现夹断。如下图所示。
MOSFET管工作原理图
图 工作原理
 

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