MOSFE工作原理|MOSFET工作特性|MOSFET主要参数 命名与符号

MOSFET

MOSFET，金属-氧化物半导体(ti)场效(xiao)应晶(jing)体(ti)管，简称(cheng)金氧半场效(xiao)晶(jing)体(ti)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广(guang)泛使用在模(mo)拟电路与(yu)数字电路的场效(xiao)晶(jing)体(ti)管（field-effect transistor）。MOSFET依(yi)照其“通道”（工作(zuo)载流子）的极性不同，可分为“N型”与(yu)“P型” 的两种类型，通常又(you)称(cheng)为NMOSFET与(yu)PMOSFET，其他简称(cheng)尚(shang)包括NMOS、PMOS等。

本文(wen)主要(yao)涉及到的(de)内(nei)容(rong)有：

（1）半导体物理最基本的概(gai)念：载(zai)流子、沟道(dao)、耗尽层(ceng)、反型(xing)层(ceng)；

（2）MOSFET核心部分；

（3）MOSFET工作基本原(yuan)理；

（4）MOSFET工(gong)作特性分析；

（5）MOSFET命名(ming)与符号理(li)解；

（6）MOSFET主(zhu)要参数。

（一）基本概念-半导体

金属材料可以导(dao)电(dian)，绝缘(yuan)材料不导(dao)电(dian)，那(nei)怎么样实(shi)现(xian)(xian)一个东西既能(neng)够(gou)导(dao)电(dian)又(you)能(neng)够(gou)不导(dao)电(dian)？那(nei)就(jiu)(jiu)是半导(dao)体(ti)。MOSFET作为一种半导(dao)体(ti)器(qi)件(jian)，我(wo)们需(xu)要它实(shi)现(xian)(xian)的(de)功能(neng)按最简单话来说就(jiu)(jiu)是既能(neng)够(gou)实(shi)现(xian)(xian)电(dian)路(lu)(lu)的(de)通(tong)，又(you)能(neng)够(gou)实(shi)现(xian)(xian)电(dian)路(lu)(lu)的(de)断。放(fang)在数字电(dian)路(lu)(lu)里，这(zhei)就(jiu)(jiu)是实(shi)现(xian)(xian)0和1的(de)方式，在功率电(dian)路(lu)(lu)里，这(zhei)就(jiu)(jiu)是实(shi)现(xian)(xian)PWM转换器(qi)工作的(de)基本手段，这(zhei)都是后(hou)话。

如何实现通(tong)？当材(cai)(cai)料内(nei)部具(ju)有自(zi)由移动的电子（负电荷）或者空(kong)穴(xue)（正(zheng)电荷）的时(shi)候就(jiu)是导(dao)(dao)(dao)通(tong)的（假(jia)如说(shuo)电子或空(kong)穴(xue)被晶格束(shu)缚，那(nei)么同样无法导(dao)(dao)(dao)电），存在(zai)载(zai)流子的时(shi)候材(cai)(cai)料是导(dao)(dao)(dao)通(tong)的。如何实现断？那(nei)就(jiu)是将一定区(qu)域(yu)内(nei)的自(zi)由载(zai)流子去除，材(cai)(cai)料就(jiu)不能够导(dao)(dao)(dao)电了，从(cong)而(er)达到(dao)阻断电流的作用。

我们目(mu)前用得(de)最多的(de)(de)半导体材料，比如硅（Si），是Ⅳ族元素，本身(shen)最外(wai)层电(dian)子(zi)为4，可以形成(cheng)稳(wen)定的(de)(de)晶格结(jie)构，因此它本身(shen)是无法导电(dian)的(de)(de)，如下图所示，所有电(dian)子(zi)和(he)原(yuan)子(zi)核都被(bei)牢(lao)牢(lao)束缚(fu)在稳(wen)定的(de)(de)结(jie)构中(zhong)出不来，所以没(mei)有自由(you)移动的(de)(de)电(dian)荷。

而当(dang)材料中(zhong)掺(chan)杂了(le)(le)其他元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，比(bi)如说(shuo)Ⅲ族(zu)(zu)(zu)或(huo)者(zhe)Ⅴ族(zu)(zu)(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，甚至其他元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，取(qu)代了(le)(le)晶格(ge)中(zhong)的位(wei)置(zhi)。掺(chan)杂Ⅴ族(zu)(zu)(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，结构(gou)中(zhong)就有(you)了(le)(le)除了(le)(le)最(zui)外(wai)(wai)层(ceng)4个以外(wai)(wai)的一个电(dian)子(zi)(zi)（即(ji)多数载(zai)流子(zi)(zi)为(wei)电(dian)子(zi)(zi)），掺(chan)杂了(le)(le)Ⅲ族(zu)(zu)(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，结构(gou)中(zhong)就缺(que)了(le)(le)一个电(dian)子(zi)(zi)构(gou)成稳定(ding)结构(gou)，即(ji)形(xing)成一个空穴（即(ji)多数载(zai)流子(zi)(zi)为(wei)空穴）。如下图(tu)(tu)所(suo)示，左图(tu)(tu)为(wei)掺(chan)杂Ⅴ族(zu)(zu)(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)的示意(yi)图(tu)(tu)，Ⅴ族(zu)(zu)(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)最(zui)外(wai)(wai)层(ceng)有(you)五个电(dian)子(zi)(zi)，四个电(dian)子(zi)(zi)参与形(xing)成共价键，因(yin)此(ci)还剩(sheng)余一个电(dian)子(zi)(zi)；右图(tu)(tu)为(wei)掺(chan)杂Ⅲ族(zu)(zu)(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)的示意(yi)图(tu)(tu)，Ⅲ族(zu)(zu)(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)最(zui)外(wai)(wai)层(ceng)有(you)三个电(dian)子(zi)(zi)，只有(you)三个电(dian)子(zi)(zi)用于形(xing)成共价键，因(yin)此(ci)留下一个空穴。为(wei)了(le)(le)方便，可以直接(jie)将(jiang)电(dian)子(zi)(zi)和(he)空穴理解成负电(dian)荷和(he)正(zheng)电(dian)荷。

由(you)于带电粒子(zi)在(zai)电场(chang)中会发生(sheng)移(yi)动，假如在(zai)电场(chang)的作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)，使(shi)得(de)结构中的电子(zi)和(he)空穴(xue)都跑掉了，那么这(zhei)个区(qu)(qu)(qu)域(yu)不(bu)(bu)(bu)存在(zai)自由(you)移(yi)动的载流(liu)子(zi)，因(yin)此(ci)区(qu)(qu)(qu)域(yu)就不(bu)(bu)(bu)再导(dao)电，这(zhei)样的区(qu)(qu)(qu)域(yu)称为耗尽区(qu)(qu)(qu)（载流(liu)子(zi)被电场(chang)耗尽）。牢牢记住，耗尽区(qu)(qu)(qu)内不(bu)(bu)(bu)存在(zai)自由(you)移(yi)动的载流(liu)子(zi)，因(yin)此(ci)是断(duan)开(kai)状态。MOS的核(he)心(xin)原理(li)就是利用(yong)(yong)电场(chang)的作(zuo)用(yong)(yong)，使(shi)得(de)一定(ding)区(qu)(qu)(qu)域(yu)时(shi)而(er)导(dao)电时(shi)而(er)断(duan)开(kai)。

（二）MOSFET 核心部分

1、MOSFET是什么？为什么叫MOSFET？

MOSFET全称Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金(jin)(jin)属氧化(hua)物(wu)半导(dao)体(ti)(ti)场效应晶体(ti)(ti)管。名字一长(zhang)串，一看就记不(bu)住(zhu)。相信大(da)家(jia)跟(gen)我应该(gai)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)一样的感觉。但这个(ge)名字实(shi)际上是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)跟(gen)其(qi)结构息息相关，只要理解(jie)它，记住(zhu)并不(bu)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)难(nan)事(shi)。为(wei)什么(me)这么(me)说，我们看下图中(zhong)的核(he)心结构（这不(bu)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)MOSFET，仅仅是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)取其(qi)中(zhong)局部进行(xing)讲解(jie)）。从(cong)上往下依(yi)次(ci)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)金(jin)(jin)属、氧化(hua)层、掺杂的半导(dao)体(ti)(ti)材料，连(lian)起(qi)来不(bu)就是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)Metal-Oxide-Semiconductor了吗(ma)，有(you)其(qi)名必有(you)其(qi)因。

2、那(nei)何为Field-Effect Transistor？

这(zhei)里的Field自然指电(dian)(dian)场(chang)，所以FET实际(ji)上(shang)(shang)就是指这(zhei)种(zhong)器件是电(dian)(dian)场(chang)驱(qu)动的晶体管。如果在(zai)(zai)上(shang)(shang)下极板(ban)加上(shang)(shang)正电(dian)(dian)压(ya)，就会(hui)在(zai)(zai)材料中(zhong)建(jian)立(li)电(dian)(dian)场(chang)，如下图所示，其中(zhong)绿(lv)色的线为电(dian)(dian)场(chang)线。

由于图(tu)中这里(li)所示为P掺(chan)杂（Ⅲ族元素掺(chan)杂），红色区(qu)(qu)域中存在(zai)空(kong)穴（也就是(shi)正电荷(he)），在(zai)外(wai)加电场的作用下(xia)，正电荷(he)就会往下(xia)离开，从而在(zai)上表面形成不(bu)含有(you)自(zi)由载流子(zi)的区(qu)(qu)域，也就是(shi)耗(hao)尽区(qu)(qu)（depletion region）。

而施(shi)加的电(dian)(dian)压(ya)(ya)足够高时(shi)，将把耗(hao)尽层(ceng)(ceng)内(nei)的空穴(xue)进一(yi)步驱赶(gan)，并吸引电(dian)(dian)子(zi)(zi)往上表(biao)面运动，在上表(biao)面堆积(ji)可以(yi)导(dao)(dao)电(dian)(dian)的电(dian)(dian)子(zi)(zi)，从而形成(cheng)N型(xing)半(ban)导(dao)(dao)体(ti)，从而形成(cheng)反型(xing)层(ceng)(ceng)（之(zhi)所以(yi)叫反型(xing)层(ceng)(ceng)是指在电(dian)(dian)场作(zuo)用下，该(gai)区域内(nei)的自由载(zai)流子(zi)(zi)与掺杂形成(cheng)的半(ban)导(dao)(dao)体(ti)载(zai)流子(zi)(zi)相(xiang)反）。一(yi)般我们(men)将开始形成(cheng)反型(xing)层(ceng)(ceng)时(shi)施(shi)加的电(dian)(dian)压(ya)(ya)称为 ，即(ji)门槛(jian)电(dian)(dian)压(ya)(ya)。反型(xing)层(ceng)(ceng)也就是我们(men)后面要提到的导(dao)(dao)电(dian)(dian)沟道(dao)（沿(yan)水平方向形成(cheng)导(dao)(dao)电(dian)(dian)沟道(dao)）。这到底和MOSFET工作(zuo)有什么关(guan)系？

在维基百(bai)科上看到的导电沟道形成的图很(hen)有(you)意思，分享给大家(jia)：

（三）MOSFET 工作原理

以平面耗尽(jin)型N沟道MOSFET为(wei)例，基本结构(gou)如下图所(suo)示。可以看到(dao)，从左到(dao)右(you)为(wei)NPN的(de)(de)(de)掺杂，在扩(kuo)散作(zuo)用(yong)下，会自然形成像(xiang)图中(zhong)所(suo)示的(de)(de)(de)深红色(se)的(de)(de)(de)耗尽(jin)区(depletion region)，根据前(qian)面所(suo)述(shu)，耗尽(jin)区是不能导电的(de)(de)(de)，因此漏极(Drain)到(dao)源(yuan)极(Source)在未加外加电场(chang)的(de)(de)(de)时(shi)是断开的(de)(de)(de)，因此该(gai)结构(gou)是Normal off的(de)(de)(de)结构(gou)。

注意到，图中(zhong)正中(zhong)心(xin)区域就是(shi)之前讲的(de)核心(xin)部分，从上往下，橘黄色(se)(se)，黄色(se)(se)，浅红(hong)色(se)(se)依次为金(jin)属、氧化(hua)(hua)物(wu)、P掺杂(za)。当VGS＞0，会开始在氧化(hua)(hua)层下面首先形成新的(de)耗尽层，如下如所示。

当VGS大(da)于VTH，形成反型(xing)层(ceng)，如下(xia)图所示。

由于(yu)反型层相当于(yu)N掺杂的(de)半导(dao)体，因此D和(he)S直接直接连通(tong)，因此MOSFET导(dao)电(dian)沟道形成，进入导(dao)通(tong)状态。

（四）MOSFET 输出特性

如下(xia)图所示为增强型(xing)N沟道MOS输出特性。

对于上(shang)图所示的MOS，有三种(zhong)工(gong)作区(qu)域：

1）夹断区(cutoff mode)

当VGS＜Vth，时(shi)MOS处于此工作区(qu)域，基本处于断开状(zhuang)态，但是此时(shi)仍存在较微弱(ruo)的反型层，存在漏电流(liu)，其大小电流(liu)满足：

2）线性区(qu)(linear mode)

当VGS＞Vth且VDS＜VGS－Vth时为(wei)此(ci)区域，电流满足：

3）饱(bao)和区(qu)(saturation mode)

当VGS＞Vth且VDS≥（VGS－Vth）时为饱和区，电流满(man)足(zu)：

（五）MOSFET 符号与命名

前面仅仅是谈到了增强(qiang)型P沟道的MOSFET，而实际上的MOSFET是一个大家族，还(hai)有很多兄弟姐妹，下图中(zhong)除了JFET以外都是MOSFET。这么(me)多符号怎么(me)记住呢？有规律！

1、门极符号

MOSFET不(bu)同于(yu)JFET，在(zai)Gate是(shi)不(bu)与导电沟道相连的(de)，是(shi)有一层氧化绝缘层的(de)，因此(ci)从符号(hao)中可(ke)以看出，MOSFET中Gate和(he)(he)沟道是(shi)由缝(feng)隙的(de)，也(ye)就是(shi)有两条竖(shu)线，或者(zhe)一条竖(shu)线与三段虚线，而JFET则是(shi)一条竖(shu)线。另外，细心的(de)你可(ke)能(neng)还会发现，有的(de)Gate形(xing)状为“L”，有的(de)则是(shi)“T”，如果是(shi)“L”，意味(wei)着Gate和(he)(he)Source在(zai)物理结构上靠得更(geng)近。

2、沟道形状(zhuang)

增强型MOSFET在未(wei)加(jia)(jia)外(wai)部(bu)(bu)电压时(shi)(shi)为断开(kai)(normal off)，而(er)耗尽(jin)型MOSFET则(ze)在未(wei)加(jia)(jia)外(wai)部(bu)(bu)电压时(shi)(shi)为导通（normal on）。所以增强型MOSFET的沟道为三(san)段虚线，意味(wei)着还未(wei)导通，而(er)耗尽(jin)型MOSFET的沟道则(ze)是一条(tiao)直线。

3、箭头方向(xiang)

对于含(han)有bulk connection的(de)MOSFET，区分P沟(gou)道(dao)(dao)与N沟(gou)道(dao)(dao)就是靠箭头方向。箭头方向遵循(xun)一个准则(ze)，P指(zhi)向N，如果(guo)沟(gou)道(dao)(dao)是P，则(ze)由(you)沟(gou)道(dao)(dao)指(zhi)向外，如果(guo)沟(gou)道(dao)(dao)是N，则(ze)由(you)外指(zhi)向沟(gou)道(dao)(dao)。

（六）MOSFET主要参数

MOSFET参数(shu)很多，包括(kuo)直流参数(shu)、交流参数(shu)和极限(xian)参数(shu)，但一般使(shi)用(yong)时关注以下主要参数(shu)：

1、IDSS—饱和漏源(yuan)电(dian)流(liu)。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应(ying)管中，栅极(ji)电(dian)压UGS=0时的漏源(yuan)电(dian)流(liu)。

2、UP—夹断电压(ya)。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使(shi)漏源间(jian)刚截止时的栅极电压(ya)。

3、UT—开启(qi)电压。是指增强型绝缘栅(zha)场效管(guan)中，使漏源间(jian)刚导(dao)通时的栅(zha)极电压。

4、gM—跨导(dao)。是表示栅源电(dian)压(ya)UGS—对漏(lou)极电(dian)流ID的控制能力(li)，即漏(lou)极电(dian)流ID变化量与(yu)栅源电(dian)压(ya)UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管(guan)放(fang)大能力(li)的重要参数(shu)。

5、BUDS—漏源(yuan)击穿(chuan)电压。是指栅源(yuan)电压UGS一定时，场效应管正(zheng)常工作所能承(cheng)受的最大漏源(yuan)电压。这是一项极(ji)限参数，加在场效应管上的工作电压必须(xu)小(xiao)于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一(yi)项极限参数(shu)，是指场效应(ying)管(guan)性(xing)能不变坏时(shi)所允许的最大漏源耗散功率。使用时(shi)，场效应(ying)管(guan)实际功耗应(ying)小于PDSM并留(liu)有一(yi)定余量。

7、IDSM—最大(da)漏(lou)源(yuan)电(dian)流。是一项极限参数，是指场效应(ying)(ying)管(guan)正常(chang)工(gong)(gong)作(zuo)时，漏(lou)源(yuan)间所允许通(tong)过的最大(da)电(dian)流。场效应(ying)(ying)管(guan)的工(gong)(gong)作(zuo)电(dian)流不应(ying)(ying)超过IDSM。

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