MOSFE工作原理|MOSFET工作特性|MOSFET主要參數 命名與符號

MOSFET

MOSFET，金屬-氧化物半導體場效應晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管（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，其他簡稱尚包括NMOS、PMOS等。

本文主要涉及到的內容有：

（1）半導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命名與符號理解；

（6）MOSFET主要參數。

（一）基本概念-半導體

金屬材料可以導電，絕緣材料不導電，那怎么樣實現一個東西既能夠導電又能夠不導電？那就是半導體。MOSFET作為一種半導體器件，我們需要它實現的功能按最簡單話來說就是既能夠實現電路的通，又能夠實現電路的斷。放在數字電路里，這就是實現0和1的方式，在功率電路里，這就是實現PWM轉換器工作的基本手段，這都是后話。

如何實現通？當材料內部具有自由移動的電子（負電荷）或者空穴（正電荷）的時候就是導通的（假如說電子或空穴被晶格束縛，那么同樣無法導電），存在載流子的時候材料是導通的。如何實現斷？那就是將一定區域內的自由載流子去除，材料就不能夠導電了，從而達到阻斷電流的作用。

我們目前用得最多的半導體材料，比如硅（Si），是Ⅳ族元素，本身最外層電子為4，可以形成穩定的晶格結構，因此它本身是無法導電的，如下圖所示，所有電子和原子核都被牢牢束縛在穩定的結構中出不來，所以沒有自由移動的電荷。

而當材料中摻雜了其他元素，比如說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，結構中就有了除了最外層4個以外的一個電子（即多數載流子為電子），摻雜了Ⅲ族元素，結構中就缺了一個電子構成穩定結構，即形成一個空穴（即多數載流子為空穴）。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電子，四個電子參與形成共價鍵，因此還剩余一個電子；右圖為摻雜Ⅲ族元素的示意圖，Ⅲ族元素最外層有三個電子，只有三個電子用于形成共價鍵，因此留下一個空穴。為了方便，可以直接將電子和空穴理解成負電荷和正電荷。

由于帶電粒子在電場中會發生移動，假如在電場的作用下，使得結構中的電子和空穴都跑掉了，那么這個區域不存在自由移動的載流子，因此區域就不再導電，這樣的區域稱為耗盡區（載流子被電場耗盡）。牢牢記住，耗盡區內不存在自由移動的載流子，因此是斷開狀態。MOS的核心原理就是利用電場的作用，使得一定區域時而導電時而斷開。

（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。即金屬氧化物半導體場效應晶體管。名字一長串，一看就記不住。相信大家跟我應該是一樣的感覺。但這個名字實際上是跟其結構息息相關，只要理解它，記住并不是難事。為什么這么說，我們看下圖中的核心結構（這不是MOSFET，僅僅是取其中局部進行講解）。從上往下依次是金屬、氧化層、摻雜的半導體材料，連起來不就是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，所以FET實際上就是指這種器件是電場驅動的晶體管。如果在上下極板加上正電壓，就會在材料中建立電場，如下圖所示，其中綠色的線為電場線。

由于圖中這里所示為P摻雜（Ⅲ族元素摻雜），紅色區域中存在空穴（也就是正電荷），在外加電場的作用下，正電荷就會往下離開，從而在上表面形成不含有自由載流子的區域，也就是耗盡區（depletion region）。

而施加的電壓足夠高時，將把耗盡層內的空穴進一步驅趕，并吸引電子往上表面運動，在上表面堆積可以導電的電子，從而形成N型半導體，從而形成反型層（之所以叫反型層是指在電場作用下，該區域內的自由載流子與摻雜形成的半導體載流子相反）。一般我們將開始形成反型層時施加的電壓稱為 ，即門檻電壓。反型層也就是我們后面要提到的導電溝道（沿水平方向形成導電溝道）。這到底和MOSFET工作有什么關系？

在維基百科上看到的導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，基本結構如下圖所示。可以看到，從左到右為NPN的摻雜，在擴散作用下，會自然形成像圖中所示的深紅色的耗盡區(depletion region)，根據前面所述，耗盡區是不能導電的，因此漏極(Drain)到源極(Source)在未加外加電場的時是斷開的，因此該結構是Normal off的結構。

注意到，圖中正中心區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VGS＞0，會開始在氧化層下面首先形成新的耗盡層，如下如所示。

當VGS大于VTH，形成反型層，如下圖所示。

由于反型層相當于N摻雜的半導體，因此D和S直接直接連通，因此MOSFET導電溝道形成，進入導通狀態。

（四）MOSFET 輸出特性

如下圖所示為增強型N溝道MOS輸出特性。

對于上圖所示的MOS，有三種工作區域：

1）夾斷區(cutoff mode)

當VGS＜Vth，時MOS處于此工作區域，基本處于斷開狀態，但是此時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(linear mode)

當VGS＞Vth且VDS＜VGS－Vth時為此區域，電流滿足：

3）飽和區(saturation mode)

當VGS＞Vth且VDS≥（VGS－Vth）時為飽和區，電流滿足：

（五）MOSFET 符號與命名

前面僅僅是談到了增強型P溝道的MOSFET，而實際上的MOSFET是一個大家族，還有很多兄弟姐妹，下圖中除了JFET以外都是MOSFET。這么多符號怎么記住呢？有規律！

1、門極符號

MOSFET不同于JFET，在Gate是不與導電溝道相連的，是有一層氧化絕緣層的，因此從符號中可以看出，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，細心的你可能還會發現，有的Gate形狀為“L”，有的則是“T”，如果是“L”，意味著Gate和Source在物理結構上靠得更近。

2、溝道形狀

增強型MOSFET在未加外部電壓時為斷開(normal off)，而耗盡型MOSFET則在未加外部電壓時為導通（normal on）。所以增強型MOSFET的溝道為三段虛線，意味著還未導通，而耗盡型MOSFET的溝道則是一條直線。

3、箭頭方向

對于含有bulk connection的MOSFET，區分P溝道與N溝道就是靠箭頭方向。箭頭方向遵循一個準則，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

MOSFET參數很多，包括直流參數、交流參數和極限參數，但一般使用時關注以下主要參數：

1、IDSS—飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，柵極電壓UGS=0時的漏源電流。

2、UP—夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。

3、UT—開啟電壓。是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導通時的柵極電壓。

4、gM—跨導。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流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是衡量場效應管放大能力的重要參數。

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

6、PDSM—最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源電流。是一項極限參數，是指場效應管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。場效應管的工作電流不應超過IDSM。

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