半導體概念科普——MOSFET是什麼:工作原理及其應用

Hi，大家好。歡迎來到我們【半導體概念科普】系列文章，本系列會針對半導體重要且基礎的概念做一些科普，輔助一些技術報告/文章的閱讀和理解。

集成電路按照所使用的半導體材料，分為矽IC和化合物IC兩大類，矽IC可以分為MOS型和雙極結型電晶體，兩者都既可以用自由電子位載流子，又可以用空穴為載流子。MOS中有不同的類型，如以電子（負：negative）為載流子的「nMOS」，以空穴（正：positive）為載流子的「pMOS」,還有以雙方組合（complementary）而成的「互補金屬氧化物半導體電晶體（CMOS）」

今天我們圍繞MOS這個概念展開，講一講MOS的概念、工作原理、分類以及相關應用。

一、什麼是MOSFET？

MOS的英文全稱就是MOSFET,其中後綴FET是場效應電晶體(Field Effect Transistor縮寫，FET是利用控制輸入迴路的電場效應來控制輸出迴路電流的一種半導體器件。

FET是具有源極（S），柵極（G），漏極（D）和主體（B）端子的四端子設備。FET通過向柵極施加電壓來控制電流，從而改變漏極和源極之間的電導率。由於它僅靠半導體中的多數載流子導電，又稱單極型電晶體。也就是說，FET在其操作中使用電子或空穴作為電荷載流子，但不能同時使用兩者。

場效應管主要有兩種類型，分別是結型場效應管（JFET）和絕緣柵場效應管（MOS管）。

MOSFET的中文全稱是金屬-氧化物半導體場效應電晶體，由於這種場效應管的柵極被絕緣層隔離，所以又叫絕緣柵場效應管。

MOSFET由Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng於1959年在貝爾實驗室發明，並於1960年6月首次推出。它是現代電子學的基本組成部分，也是歷史上最常用的器件，自1960年代以來，MOSFET的縮小和小型化一直在推動電子半導體技術的快速發展，並實現了諸如存儲晶片和微處理器之類的高密度IC。MOSFET被認為是電子行業的「主力軍」。

二、MOSFET的結構

通常，MOSFET的主體B與源極S端子相連，因此形成了一個三端設備，一般結構如下：

上圖是原理性的，原理上源極和漏極確實是對稱且不區分的。但在實際應用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個二極體，起保護作用，正是這個二極體決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便於實用。

根據上述MOSFET結構，MOSFET的功能取決於溝道寬度中發生的電氣變化以及載流子（空穴或電子）的流動。電荷載流子通過源極端子進入通道，並通過漏極離開。

溝道的寬度由稱為柵極的電極上的電壓控制，該電極位於源極和漏極之間。它與極薄的金屬氧化物層附近的通道絕緣。

帶有端子的MOSFET

相關概念解釋

1：P or N

「P」表示正電的意思，取自英文Positive的第一個字母。在這類半導體中，參與導電的 (即電荷載體) 主要是帶正電的空穴，這些空穴來自半導體中的受主。

「N」表示負電的意思，取自英文Negative的第一個字母。在這類半導體中，參與導電的 (即導電載體) 主要是帶負電的電子，這些電子來自半導體中的施主。

摻雜和缺陷均可造成導帶中電子濃度的增高. 對於鍺、矽類半導體材料，摻雜Ⅴ族元素(磷、砷、銻等)，當雜質原子以替位方式取代晶格中的鍺、矽原子時，可提供除滿足共價鍵配位以外的一個多餘電子，這就形成了半導體中導帶電子濃度的增加，該類雜質原子稱為施主。

2：金屬氧化膜

圖中有指示，這個膜是絕緣的，用來電氣隔離，使得柵極只能形成電場，不能通過直流電，因此是用電壓控制的。在直流電氣上，柵極和源漏極是斷路。這個膜越薄，電場作用越好、坎壓越小、相同柵極電壓時導通能力越強。壞處是：越容易擊穿、工藝製作難度越大而價格越貴。

3：溝道

中間一個窄長條就是溝道，使得左右兩塊極連在一起，因此mos管導通後是電阻特性，因此它的一個重要參數就是導通電阻，選用mos管必須清楚這個參數是否符合需求。

以增強型 MOS 管為例，我們先簡單來看下 MOS 管的工作原理。由結構我們可以看到 MOS 管類似三極體，也是背靠背的兩個PN結！三極體的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區通過電子-空穴複合來控制電子之間的導通，MOS 管則利用電場來在柵極形成載流子溝道來溝通DS之間。如上圖，在開啟電壓不足時，N區和襯底P之間因為載流子的自然複合會形成一個中性的耗盡區。給柵極提供正向電壓後，P區的少子（電子）會在電場的作用下聚集到柵極氧化矽下，最後會形成一個以電子為多子的區域，叫反型層，稱為反型因為是在P型襯底區形成了一個N型溝道區。這樣DS之間就導通了。MOSFET可以被製造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。

對於這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易製造。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。耗盡模式當柵極端子兩端沒有電壓時，通道將顯示其最大電導。而當柵極端子兩端的電壓為正或負時，則溝道電導率會降低。
增強模式當柵極端子兩端沒有電壓時，該器件將不導通。當柵極端子兩端的電壓最大時，該器件將顯示出增強的導電性。相對於耗盡型，增強型是通過「加厚」導電溝道的厚度來導通，如圖，柵極電壓越低，則p型源、漏極的正離子就越靠近中間，n襯底的負離子就越遠離柵極，柵極電壓達到一個值，叫閥值或坎壓時，由p型游離出來的正離子連在一起，形成通道，就是圖示效果。因此，容易理解，柵極電壓必須低到一定程度才能導通，電壓越低，通道越厚，導通電阻越小。由於電場的強度與距離平方成正比，因此，電場強到一定程度之後，電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了，也是因為n型負離子的「退讓」是越來越難的。耗盡型的是事先做出一個導通層，用柵極來加厚或者減薄來控制源漏的導通。但這種管子一般不生產，在市面基本見不到。所以，大家平時說mos管，就默認是增強型的。概念2：P溝道MOSFET和N溝道MOSFET的區別：P溝道MOSFETP溝道MOSFET具有位於源極端子和漏極端子之間的P溝道區域。它是一個四端子設備，其端子分別為柵極，漏極，源極和主體。漏極和源極是重摻雜的p +區，主體或襯底為n型。電流流向帶正電的空穴的方向。當我們在柵極端施加具有排斥力的負電壓時，存在於氧化層下方的電子將被向下推入基板。耗盡區由與施主原子相關的結合正電荷構成。負柵極電壓還會將空穴從p +源極和漏極區吸引到溝道區中。N溝道MOSFETN溝道MOSFET具有位於源極和漏極端子之間的N溝道區域。它是一個四端子設備，其端子分別為柵極，漏極，源極，主體。在這種場效應電晶體中，漏極和源極是重摻雜的n +區域，襯底或主體是P型的。由於帶負電的電子，在這種類型的MOSFET中發生電流流動。當我們在柵極端子上施加具有排斥力的正電壓時，則存在於氧化層下方的空穴將被向下推入基板。耗盡區由與受體原子相關的結合負電荷構成。在電子到達時，形成通道。正電壓還將電子從n +源極和漏極區吸引到溝道中。現在，如果在漏極和源極之間施加電壓，電流將在源極和漏極之間自由流動，而柵極電壓控制著溝道中的電子。如果我們施加負電壓，則將在氧化層下方形成一個空穴通道，而不是正電壓。NMOS的特性，Vgs(電壓)大於一定的值就會導通，適合用於源極接地時的情況(低端驅動)，只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs（電壓）小於一定的值就會導通，適合用於源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由於導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。不管是NMOS還是PMOS，導通後都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。MOSFET工作區在最一般的情況下，MOSFET設備操作主要發生在三個區域，這些區域如下：

截止區域–這是設備將處於關閉狀態且零電流流過的區域。在此，該設備用作基本開關，並在需要用作電氣開關時使用。

飽和區域–在該區域中，器件的漏極至源極電流值將保持恆定，而無需考慮漏極至源極兩端的電壓升高。當漏極到源極端子之間的電壓增加超過夾斷電壓值時，只會發生一次。在這種情況下，該設備用作閉合開關，流過漏極到源極端子的電流達到飽和水平。因此，當設備應該進行切換時，選擇飽和區域。

線性/歐姆區域–該區域是漏極至源極兩端的電流隨漏極至源極路徑兩端電壓的增加而增強的區域。MOSFET器件在此線性區域中起作用時，它們將執行放大器功能。

Vgs 對MOS 管的開啟作用，一定範圍內 Vgs>Vth，Vds<Vgs-Vth，Vgs 越大，反型層越寬，電流越大。這個區域為 MOS 管的線性區（可變電阻區）。即：（縮寫解釋：VGS是柵極和源極之間的電壓降，確定電晶體的工作狀態：導通/截止，或者弱反/強反/速度飽和；VDS是漏極和源極之間的電壓降，模擬電路中控制電晶體工作在飽和區或者線性電阻區。Vth是閾值電壓）Vgs 為常數時，Vds 上升，Id 近似線性上升，表現為一種電阻特性。Vds 為常數時，Vgs 上升，Id 近似線性上升，表現出一種壓控電阻的特性。當 Vgs>Vth，Vds<Vgs-Vth 時，分析同上曲線左側，電流Id隨Vds上升而上升，為可變電阻區。當 Vds>Vgs-Vth 後，我們可以看到因為DS之間的電場開始導致右側的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開始變緩慢。當Vds增大一定程度後，右溝道被完全夾斷了！此時DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區，夾斷區的增大即溝道寬度W減小導致的電阻增大抵消了Vds對Id的正向作用，因此導致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時的D端載流子是在強電場的作用下掃過耗盡區達到S端！這個區域為 MOS 管的恆流區，也叫飽和區，放大區。但是因為有溝道調製效應導致溝道長度 L 有變化，所以曲線稍微上翹一點。三極體的飽和區：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。MOS 管的飽和區：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。以上是關於MOSFET的基本概念科普，關於它的應用也有很多知識點，因為篇幅原因，我們隨後再出續集介紹。想要看什麼內容可在評論區留言哦深度聊聊MOS管，來源：EETOP 博客  作者：許歡MOS管和IGBT管有什麼區別？別傻傻分不清了，麵包版社區

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