mosfet种类-mosfet四种类型的区别及知识要点解析

mosfet介绍

mosfet种类有哪些？本文主要(yao)讲mosfet的(de)四种类型。金属-氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)导体(ti)场效应晶(jing)体(ti)管，简(jian)称金氧(yang)半(ban)场效晶(jing)体(ti)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是(shi)一(yi)种可以(yi)广泛使用(yong)在模拟(ni)电(dian)路与(yu)(yu)数字电(dian)路的(de)场效晶(jing)体(ti)管（field-effect transistor）。 MOSFET依(yi)照其(qi)“通道(dao)”（工作载流(liu)子(zi)）的(de)极性不同，可分为“N型”与(yu)(yu)“P型” 的(de)两种类型，通常又称为NMOSFET与(yu)(yu)PMOSFET，其(qi)他简(jian)称上包括(kuo)NMOS、PMOS等(deng)。

图1是典型平面(mian)(mian)N沟道增强型NMOSFET的剖面(mian)(mian)图。它(ta)用(yong)一块P型硅半(ban)导体材料作衬底，在(zai)其(qi)面(mian)(mian)上扩散了两个N型区，再在(zai)上面(mian)(mian)覆盖一层(ceng)二氧化硅(SiO2）绝(jue)缘层(ceng)，最后在(zai)N区上方用(yong)腐(fu)蚀的方法做成两个孔，用(yong)金(jin)属化的方法分别(bie)在(zai)绝(jue)缘层(ceng)上及(ji)两个孔内做成三个电极(ji)(ji)：G(栅极(ji)(ji)）、S（源极(ji)(ji)）及(ji)D（漏(lou)极(ji)(ji)），如图所示。

从图1中(zhong)可(ke)以看出栅极(ji)(ji)(ji)G与(yu)漏极(ji)(ji)(ji)D及源极(ji)(ji)(ji)S是绝缘(yuan)的，D与(yu)S之(zhi)间有两个PN结。一般情况下(xia)，衬底与(yu)源极(ji)(ji)(ji)在内部(bu)连接(jie)在一起，这样，相当于D与(yu)S之(zhi)间有一个PN结。

（一）mosfet种类-N沟道增强型

N沟道增强型MOS管工作原理

在(zai)一块掺(chan)杂(za)(za)浓(nong)度较低的(de)(de)P型(xing)硅衬(chen)底(di)上(shang)(shang)，制作(zuo)两(liang)个(ge)高掺(chan)杂(za)(za)浓(nong)度的(de)(de)N+区，并用金属铝引(yin)出(chu)两(liang)个(ge)电(dian)(dian)极(ji)，分别作(zuo)漏极(ji)d和(he)源(yuan)极(ji)s。然后在(zai)半导体(ti)表面覆盖一层(ceng)很薄(bo)的(de)(de)二(er)氧(yang)化硅(SiO2)绝(jue)缘层(ceng)，在(zai)漏——源(yuan)极(ji)间(jian)的(de)(de)绝(jue)缘层(ceng)上(shang)(shang)再(zai)装上(shang)(shang)一个(ge)铝电(dian)(dian)极(ji),作(zuo)为栅极(ji)g。衬(chen)底(di)上(shang)(shang)也引(yin)出(chu)一个(ge)电(dian)(dian)极(ji)B，这就构成了一个(ge)N沟(gou)道增强型(xing)MOS管。MOS管的(de)(de)源(yuan)极(ji)和(he)衬(chen)底(di)通常(chang)是接在(zai)一起的(de)(de)(大多数管子在(zai)出(chu)厂前已(yi)连(lian)接好)。它(ta)的(de)(de)栅极(ji)与其它(ta)电(dian)(dian)极(ji)间(jian)是绝(jue)缘的(de)(de)。

图(a)、(b)分(fen)别是(shi)它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭(jian)头方向表示由P(衬(chen)底(di))指向N(沟(gou)道)。P沟(gou)道增强(qiang)型MOS管的箭(jian)头方向与上述(shu)相反，如图(c)所示。

（2）N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）vGS对iD及(ji)沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从图(tu)1(a)可以(yi)看出，增强型(xing)MOS管的(de)漏极(ji)d和源极(ji)s之间有(you)两(liang)个背(bei)靠背(bei)的(de)PN结。当栅——源电压vGS=0时(shi)，即使加上漏——源电压vDS，而(er)且不论(lun)vDS的(de)极(ji)性如何(he)，总有(you)一个PN结处于反偏状态，漏——源极(ji)间没有(you)导电沟道(dao)，所以(yi)这(zhei)时(shi)漏极(ji)电流iD≈0。

② vGS>0 的(de)情况

若(ruo)vGS＞0，则栅(zha)极(ji)和(he)衬底(di)之间的SiO2绝缘层中便产(chan)生一个电(dian)场(chang)。电(dian)场(chang)方向垂直(zhi)于半(ban)导体表面(mian)的由栅(zha)极(ji)指向衬底(di)的电(dian)场(chang)。这(zhei)个电(dian)场(chang)能(neng)排(pai)斥空(kong)穴而吸引电(dian)子。

排斥空穴：使(shi)栅极附(fu)近的(de)P型衬(chen)底(di)中(zhong)的(de)空穴被(bei)排斥，剩下(xia)不(bu)能移动(dong)的(de)受主离子(zi)(zi)(负(fu)离子(zi)(zi))，形成耗尽层。吸(xi)引电(dian)子(zi)(zi)：将 P型衬(chen)底(di)中(zhong)的(de)电(dian)子(zi)(zi)（少子(zi)(zi)）被(bei)吸(xi)引到衬(chen)底(di)表面。

（2）导电沟(gou)道的形(xing)成：

当vGS数值较(jiao)小，吸引电(dian)(dian)子(zi)的能力不(bu)强时，漏——源极之间仍无导电(dian)(dian)沟道出(chu)现，如图1(b)所示(shi)。vGS增(zeng)加(jia)时，吸引到P衬底(di)表面(mian)层的电(dian)(dian)子(zi)就增(zeng)多(duo)，当vGS达到某一数值时，这些电(dian)(dian)子(zi)在栅极附(fu)近的P衬底(di)表面(mian)便形(xing)成一个N型(xing)薄层，且与两个N+区相连通，在漏——源极间形(xing)成N型(xing)导电(dian)(dian)沟道，其导电(dian)(dian)类型(xing)与P衬底(di)相反(fan)，故(gu)又称为反(fan)型(xing)层，如图1(c)所示(shi)。

vGS越(yue)大，作用于半(ban)导体表(biao)面的(de)电(dian)场就越(yue)强(qiang)，吸引到P衬底(di)表(biao)面的(de)电(dian)子就越(yue)多，导电(dian)沟道(dao)(dao)越(yue)厚，沟道(dao)(dao)电(dian)阻(zu)越(yue)小。开(kai)始形成沟道(dao)(dao)时的(de)栅(zha)——源极电(dian)压(ya)称为开(kai)启电(dian)压(ya)，用VT表(biao)示(shi)。

上面讨论(lun)的(de)N沟道MOS管(guan)在vGS＜VT时(shi)，不能(neng)形成导电(dian)沟道，管(guan)子(zi)处于(yu)截(jie)止状态(tai)。只(zhi)有当vGS≥VT时(shi)，才有沟道形成。这种必(bi)须(xu)在vGS≥VT时(shi)才能(neng)形成导电(dian)沟道的(de)MOS管(guan)称(cheng)为(wei)增强型MOS管(guan)。沟道形成以后(hou)，在漏——源(yuan)极间加上正向电(dian)压vDS，就(jiu)有漏极电(dian)流产(chan)生。

vDS对iD的影(ying)响(xiang)

如图(a)所示，当vGS>VT且为(wei)一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。

漏极(ji)电流iD沿沟(gou)(gou)道(dao)(dao)产生的电压(ya)降使沟(gou)(gou)道(dao)(dao)内各点与栅(zha)极(ji)间的电压(ya)不再相(xiang)等，靠近源极(ji)一端的电压(ya)最大，这里沟(gou)(gou)道(dao)(dao)最厚，而(er)漏极(ji)一端电压(ya)最小(xiao)(xiao)，其值为VGD=vGS－vDS，因(yin)而(er)这里沟(gou)(gou)道(dao)(dao)最薄。但当(dang)vDS较小(xiao)(xiao)（vDS）随着vDS的增大，靠近漏(lou)(lou)极(ji)的沟道(dao)(dao)越(yue)来越(yue)薄(bo)，当(dang)vDS增加(jia)到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时(shi)，沟道(dao)(dao)在(zai)漏(lou)(lou)极(ji)一端出现(xian)预夹(jia)断，如图(tu)2(b)所(suo)示(shi)(shi)。再继续增大vDS，夹(jia)断点将向源(yuan)极(ji)方向移(yi)动，如图(tu)2(c)所(suo)示(shi)(shi)。由于vDS的增加(jia)部(bu)分几乎全部(bu)降落在(zai)夹(jia)断区(qu)(qu)，故iD几乎不随vDS增大而增加(jia)，管子进(jin)入饱和(he)区(qu)(qu)，iD几乎仅由vGS决定。

（二）mosfet种类-N沟道耗尽型

（1）结构：

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本(ben)相(xiang)似。

（2）区别：

耗尽(jin)型(xing)MOS管(guan)在vGS=0时，漏——源(yuan)极间已有导(dao)电沟道产生，而增强型(xing)MOS管(guan)要在vGS≥VT时才出现导(dao)电沟道。

（3）原因：

制造N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)MOS管时(shi)，在SiO2绝缘层中掺(chan)入了大量(liang)的(de)(de)(de)碱金属正离(li)子Na+或(huo)K+(制造P沟(gou)(gou)道(dao)(dao)耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)MOS管时(shi)掺(chan)入负离(li)子)，如(ru)图1(a)所(suo)示，因此(ci)即使(shi)vGS=0时(shi)，在这(zhei)些(xie)正离(li)子产生(sheng)的(de)(de)(de)电场作用下，漏(lou)——源极间的(de)(de)(de)P型(xing)(xing)衬底表面(mian)也能感应生(sheng)成N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(称为初始沟(gou)(gou)道(dao)(dao))，只(zhi)要加上正向电压vDS，就有电流(liu)iD。

如(ru)果加上(shang)正的vGS，栅极与(yu)N沟(gou)道(dao)(dao)间的电(dian)(dian)(dian)场将在(zai)(zai)沟(gou)道(dao)(dao)中吸引来(lai)更多的电(dian)(dian)(dian)子，沟(gou)道(dao)(dao)加宽，沟(gou)道(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)阻变小，iD增大。反之(zhi)vGS为负时(shi)，沟(gou)道(dao)(dao)中感应的电(dian)(dian)(dian)子减少，沟(gou)道(dao)(dao)变窄，沟(gou)道(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)阻变大，iD减小。当vGS负向(xiang)增加到某一数值时(shi)，导电(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)消失，iD趋于零，管(guan)子截(jie)止，故称(cheng)(cheng)为耗尽(jin)型。沟(gou)道(dao)(dao)消失时(shi)的栅－源电(dian)(dian)(dian)压(ya)称(cheng)(cheng)为夹断电(dian)(dian)(dian)压(ya)，仍用VP表示(shi)。与(yu)N沟(gou)道(dao)(dao)结型场效应管(guan)相同(tong)，N沟(gou)道(dao)(dao)耗尽(jin)型MOS管(guan)的夹断电(dian)(dian)(dian)压(ya)VP也为负值，但是(shi)，前(qian)者只能在(zai)(zai)vGS<0的情况下工作。而后者在(zai)(zai)vGS=0，vGS>0。

（三）mosfet种类-p沟道增强型mosfet
（1）P沟道增强型mosfet的结构和工作原理

如图(1)是(shi)P沟道(dao)增强(qiang)型(xing)mosfet的结构示(shi)意图．通过光(guang)刻、扩散的方法或其(qi)他(ta)(ta)手段(duan)，在N型(xing)衬底(di)(基片)上制作(zuo)出两(liang)个(ge)掺杂的P区，分别引出电极(ji)(ji)(ji)，称为(wei)(wei)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)(s)和漏(lou)极(ji)(ji)(ji)(D)，同(tong)时在漏(lou)极(ji)(ji)(ji)与源(yuan)极(ji)(ji)(ji)之间的Si02绝(jue)缘层上制作(zuo)金(jin)属(shu)，称为(wei)(wei)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(G)，栅(zha)极(ji)(ji)(ji)与其(qi)他(ta)(ta)电极(ji)(ji)(ji)是(shi)绝(jue)缘的，所(suo)以称为(wei)(wei)绝(jue)缘栅(zha)场效应管 。图(2)为(wei)(wei)P沟道(dao)增强(qiang)型(xing)MOS管的电路符号。

正常工作时，P沟道增强型mosfet的(de)(de)衬(chen)底必须与源极(ji)相连，而漏心极(ji)对(dui)(dui)源极(ji)的(de)(de)电(dian)压(ya)v璐应(ying)为(wei)(wei)负(fu)值(zhi)，以保(bao)证两(liang)个(ge)P区与衬(chen)底之间的(de)(de)PN结均(jun)为(wei)(wei)反偏，同时为(wei)(wei)了(le)在衬(chen)底顶表面附近形成导电(dian)沟道。栅(zha)极(ji)对(dui)(dui)源极(ji)的(de)(de)电(dian)压(ya)‰也应(ying)为(wei)(wei)负(fu)．

1．导电沟道的形成(cheng)(VDS=0)

当(dang)VDS=0时(shi)，在(zai)栅(zha)源之间加(jia)(jia)负(fu)(fu)电压比(bi)，如图(3)所示，由于绝(jue)缘层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的存在(zai)，故没有(you)电流，但是金属栅(zha)极被(bei)补(bu)充电而聚集负(fu)(fu)电荷(he)(he)，N型(xing)半(ban)导体中的多子(zi)(zi)电子(zi)(zi)被(bei)负(fu)(fu)电荷(he)(he)排(pai)斥向(xiang)体内(nei)运(yun)动，表面留下带正电的离子(zi)(zi)，形成耗(hao)尽(jin)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，随(sui)着(zhe)G、S间负(fu)(fu)电压的增加(jia)(jia)，耗(hao)尽(jin)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)加(jia)(jia)宽，当(dang)v＆增大到一(yi)定值时(shi)，衬(chen)底(di)中的空(kong)穴(少子(zi)(zi))被(bei)栅(zha)极中的负(fu)(fu)电荷(he)(he)吸引(yin)到表面，在(zai)耗(hao)尽(jin)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和绝(jue)缘层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)之间形成一(yi)个P型(xing)薄层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，称反型(xing)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。

如(ru)下(xia)图(4)所示(shi)，这个反型(xing)层就构成漏源之间的导电沟道(dao)，这时的VGs称为开(kai)启电压VGS(th)，啵(bo)到vGS(th)后再增加，衬底表面(mian)感应的空穴(xue)越多，反型(xing)层加宽，而耗尽(jin)层的宽度(du)却(que)不再变化，这样我们可以用(yong)vGs的大小控制导电沟道(dao)的宽度(du)。

2．VDS≠O的情(qing)况

导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)形成以后，D，S间(jian)(jian)加负向电(dian)(dian)压时，那么(me)在源极(ji)(ji)(ji)(ji)与(yu)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)之(zhi)间(jian)(jian)将有漏(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流(liu)ID流(liu)通，而且ID随/VDS/而增(zeng).ID沿(yan)沟(gou)道(dao)产生(sheng)的(de)压降使(shi)沟(gou)道(dao)上各(ge)点与(yu)栅极(ji)(ji)(ji)(ji)间(jian)(jian)的(de)电(dian)(dian)压不再(zai)相等，该电(dian)(dian)压削(xue)弱了栅极(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)负电(dian)(dian)荷电(dian)(dian)场的(de)作用，使(shi)沟(gou)道(dao)从漏(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)到源极(ji)(ji)(ji)(ji)逐渐变(bian)窄，如图(5)所示．当VDS增(zeng)大到使(shi)VGD=VGS(即(ji)VDS=VGS一VGS(TH))，沟(gou)道(dao)在漏(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)附近(jin)出现预夹断。

如图(6)所示(shi)．再继(ji)续增(zeng)大VDS，夹(jia)(jia)断(duan)区只是稍(shao)有(you)加长，而沟道电(dian)流基本上(shang)保持预夹(jia)(jia)断(duan)时的数值，其原因是当出现预夹(jia)(jia)断(duan)时再继(ji)续增(zeng)大VDS，VDS的多余部分(fen)就全部加在漏极附近(jin)的夹(jia)(jia)断(duan)区上(shang),故形成的漏极电(dian)流ID近(jin)似与VDS无关(guan)。

（2）P沟道增强型mosfet的特性曲线和转移特性曲线

图(7)、(8)分(fen)(fen)别是P沟道增强(qiang)型M06管(guan)的(de)(de)漏极(ji)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)曲(qu)(qu)(qu)(qu)线和(he)(he)转移特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)曲(qu)(qu)(qu)(qu)线．漏极(ji)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)曲(qu)(qu)(qu)(qu)线也(ye)可(ke)分(fen)(fen)为可(ke)变(bian)电阻区、恒流区和(he)(he)夹断区三部分(fen)(fen)．转移特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)曲(qu)(qu)(qu)(qu)线是、，璐使管(guan)子工作在漏极(ji)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)曲(qu)(qu)(qu)(qu)线的(de)(de)恒流区时所对应(ying)的(de)(de)ID=F（VGS）曲(qu)(qu)(qu)(qu)线：

ID与(yu)VGS的近(jin)似关(guan)系式为：

（四）mosfet种类-P沟道耗尽型mosfet

P沟(gou)道MOSFET的工作(zuo)原(yuan)理(li)与N沟(gou)道MOSFET完全(quan)相同，只(zhi)不(bu)(bu)过(guo)导电(dian)的载流子不(bu)(bu)同，供电(dian)电(dian)压(ya)极(ji)性不(bu)(bu)同而(er)已(yi)。这(zhei)如同双极(ji)型三极(ji)管有NPN型和PNP型一样(yang)。

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