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MOSFET 開關(guān)晶體管

MOS 管是 “金屬（Metal）氧化物（Oxide）半導(dǎo)體（Semi）” 場效應(yīng)晶體管，或者稱是 “金屬（Metal）絕緣體（Insulator）半導(dǎo)體（Semi）” 場效應(yīng)晶體管。英文縮寫后為 MOS，MOS 和三極管（BJT）有些類似之處，比如也是三個(gè)極，不過名字不同，為 Gate 柵極（G 極），Source 源極（S 極），Drain 漏極（D極）。

金屬-氧化物-半導(dǎo)體-場效應(yīng)晶體管，英文全稱為 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，這就得到第二種簡寫 MOSFET。所以以后看到 MOS 或 MOSFET 指的都是同一類東西。

MOS 管的應(yīng)用非常廣泛，大至功率變換器，小至內(nèi)存，CPU 內(nèi)部細(xì)小的數(shù)字電路元件，無一不用到 MOS。

1. MOS 分類規(guī)則

MOS 管根據(jù)制作工藝不同分為 P 型管（P 型溝道）和 N 型管（N 型溝道）。按溝道創(chuàng)建方式可分為耗盡型（當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道）和增強(qiáng)型（當(dāng)柵極電壓不為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道）。

對于 N 溝道 MOS，柵極電壓大于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，對于 P 溝道 MOS，柵極電壓小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。

在耗盡型 MOS 中存在預(yù)先構(gòu)建的溝道，因此柵源極不施加電壓就已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道，施加電壓導(dǎo)電溝道反而逐漸消失。相反，在增強(qiáng)型 MOS 中，不存在任何預(yù)先構(gòu)建的溝道，需要施加電壓后才會逐漸出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

總結(jié)

所以所謂場效應(yīng)指的就是通過給柵極 G 和源極 S 施加電壓，加壓后產(chǎn)生電場效應(yīng)，該效應(yīng)可以在半導(dǎo)體內(nèi)部開啟或關(guān)閉導(dǎo)電溝道的晶體管叫場效應(yīng)晶體管，導(dǎo)電溝道開啟后漏極 D 和 源極 S 之間就可以通過一定大小的電流。

2. 理解 MOS 符號

按照 MOS 的分類規(guī)則可知，共有四種不同的符號對應(yīng)工藝和溝道的分類組合，當(dāng)然不同用途的 MOS 管在符號上可能有些差別（比如箭頭和 S 極是連接在一起的，當(dāng)然實(shí)際 MOS 確實(shí)是這樣做的，襯底與源極連接接在一起），但都大同小異的，可以使用相同的方法理解。

(1) 對于 MOS 器件符號，區(qū)分 P 溝道與 N 溝道就是靠箭頭方向，箭頭方向遵循一個(gè)準(zhǔn)則，P 指向 N，如果溝道是 P 型，則由溝道指向外，如果溝道是 N 型，則由外指向溝道。

(2) 區(qū)分增強(qiáng)型和耗盡型靠區(qū)分符號豎線是虛線還是實(shí)線，虛線可以理解為我沒有很多東西需要購買（增加），那虛線就代表增強(qiáng)型。實(shí)線可以理解為東西很多需要賣出去（消耗），那實(shí)線就代表耗盡型。

3. N 溝道增強(qiáng)型

N 溝道增強(qiáng)型 MOS，以一塊低摻雜的 P 型硅片為襯底，利用擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜的 N+ 區(qū)，并引入兩個(gè)電極分別為源極 S(Source) 和漏極 D(Drain)，半導(dǎo)體上制作一層 SiO2 絕緣層，再在 SiO2 上面制作一層金屬鋁（Al），引出電極，作為柵極 G(Gate)，如下圖。

通常將襯底與源極接在一起使用，這樣，柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板，中間是絕緣層，形成電容。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以 MOS 又被稱為絕緣柵型場效應(yīng)管。

工作原理

(1) 當(dāng)柵極 G 和源極 S 之間不加任何電壓（VGS），即 VGS=0 時(shí)，由于漏極和源極兩個(gè) N+ 型區(qū)之間隔有 P 型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的 PN 結(jié)，它們之間的電阻很大，所以在漏、源極之間加任何極性的電壓，都不會產(chǎn)生漏極電流。

(2) 在柵極 G 和源極 S 之間加正電壓（VGS），即 VGS>0 時(shí)，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極 G 指向襯底的電場。在這個(gè)電場的作用下，P 襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動，電子受電場的吸引向襯底表面運(yùn)動，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層 “耗盡層”（上圖中的虛線）。

(3) 如果進(jìn)一步提高 VGS 電壓，使 VGS 達(dá)到某一電壓時(shí)，P 襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的 N 型層，稱為 “反型層”（即導(dǎo)電溝道，下圖中的虛線內(nèi)白色溝道區(qū)域）。

反型層將源極 S 和 漏極 D 兩個(gè) N+ 型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的 N 型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)電溝道所需的柵-源電壓（簡稱 VGS）稱為閾值電壓或開啟電壓，簡稱 VGS(th)。顯然，只有 VGS>VGS(th) 時(shí)才能建立溝道，而且 VGS 越大，溝道越寬，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，術(shù)語增強(qiáng)型也由此而來。

(4) 在 VGS>VGS(th) 的條件下，如果在漏極 D 和源極 S 之間加上正電壓 VDS，導(dǎo)電溝道就會有電流流通。漏極 D 連接到電源正極，根據(jù)電子帶負(fù)電的特性，既然 D 極為電源是正極，在電場力作用下，反型層（即導(dǎo)電溝道）中的負(fù)電子就會被吸引到 D 極，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，越靠近 S 極，電場能量越小，吸引力越弱，這就導(dǎo)致了反型層（導(dǎo)電溝道）在 D 端比較窄，而在 S 端比較寬的情況，這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。

(5) 如果 VDS 繼續(xù)增大，電場越強(qiáng)，吸引電子能力越強(qiáng)，當(dāng) VDS 增大到某一臨界值，反型層靠近 D 端的自由電子最終被全部吸引到 D 區(qū)，這樣在靠近 D 端的地方就出現(xiàn)了載流子濃度極低的情況，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，也就是夾斷區(qū)出現(xiàn)了。

(6) 繼續(xù)增大 VDS 即 VDS>VGS-VGS(th)，夾斷點(diǎn)向源極方向移動，盡管夾斷點(diǎn)在移動，但溝道區(qū)（源極 S 到夾斷點(diǎn)）的電壓降保持不變，仍等于 VGS-VGS(th)。因此，VDS 多余部分電壓 VDS-[VGS-VGS(th)] 全部降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場的作用，會很快的漂移到漏極。

4. 其余類型

目前 N 溝道增強(qiáng)型的 MOS 使用范圍最廣，P 溝道增強(qiáng)型 MOS 管可以很方便地用作高端驅(qū)動，所以一般被當(dāng)作開關(guān)管使用，而 P 溝道耗盡型 MOS 幾乎不使用。

所以重點(diǎn)記憶 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 相關(guān)特性，其余三種類型可以僅作了解即可。

4.1 P 溝道增強(qiáng)型

P 溝道增強(qiáng)型 MOS 管與 N 溝道 MOS 相反，以一塊低摻雜的 N 型硅片為襯底，利用擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜的 P+ 區(qū)，工作時(shí)反型層將源極 S 和 漏極 D 兩個(gè) P+ 型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的 P 型導(dǎo)電溝道，實(shí)際一般將襯底與源極接在一起使用。

漏極對源極的電壓 VDS 應(yīng)為負(fù)值，以保證兩個(gè) P 區(qū)與襯底之間的 PN 結(jié)均為反偏，同時(shí)為了在襯底頂表面附近形成導(dǎo)電溝道，柵極對源極的電壓也應(yīng)為負(fù)。

(1) 在柵源之間加負(fù)電壓（-VGS），當(dāng) VDS=0 時(shí)，沒有電流流過 D，S 之間，但是金屬柵極被補(bǔ)充電而聚集負(fù)電荷，N 型半導(dǎo)體中的多子電子被負(fù)電荷排斥向體內(nèi)運(yùn)動，表面留下帶正電的離子，形成 “耗盡層”。

(2) 隨著柵-源電壓（-VGS）負(fù)電壓的增加，耗盡層加寬，當(dāng) VDS 增大到一定值時(shí)，襯底中的空穴被柵極中的負(fù)電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個(gè) P 型薄層，稱為 “反型層”（即導(dǎo)電溝道）。

(3) 這個(gè)反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道，這時(shí)的 VGS 稱為開啟電壓 VGS(th)，達(dá)到 VGS(th) 后繼續(xù)增大 VGS，襯底表面感應(yīng)的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用 VGS 的大小控制導(dǎo)電溝道的寬度。

(4) 當(dāng) VDS≠0 時(shí)，導(dǎo)電溝道形成以后，D，S 間加負(fù)向電壓時(shí)（相當(dāng)于漏極 D 連接到電源負(fù)極），那么在源極與漏極之間將有漏極電流流通，而且漏極電流隨 VDS 而增。

因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由源區(qū)到漏區(qū)逐漸減小，越靠近 D 極，電場能量越小，吸引力越弱，這就導(dǎo)致了反型層（導(dǎo)電溝道）在 D 端比較寬，而在 S 端比較窄的情況，這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。

(5) 當(dāng) VDS 增大到某一臨界值，溝道在漏極附近出現(xiàn)預(yù)夾斷。

4.2 N 溝道耗盡型

N 溝道耗盡型 MOS 管的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型 MOS 管結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于 N 溝道耗盡型MOS 管在柵極電壓 VGS=0 時(shí)，溝道已經(jīng)存在。

(1) 當(dāng) VGS=0 時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道，所以只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)接通正電壓（VGS>0）時(shí)，將使漏極電流進(jìn)一步增加，當(dāng)接通負(fù)電壓（VGS<0）時(shí)，隨著 VGS 的減小，漏極電流逐漸減小，直至為 0。對應(yīng)漏極電流為 0 的 VGS 稱為夾斷電壓或閾值電壓，用符號 VGS(off) 表示。

(2) 由于耗盡型 MOS 在 VGS=0 時(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)存在，所以只要在漏極 D 和源極 S 之間加上電壓 VDS，就有漏極電流。如果增加正向柵源電壓 VGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應(yīng)更多的電子，溝道變寬，溝道的電導(dǎo)增大。

(3) 如果在柵極加負(fù)柵源電壓（VGS<0），就會在相對應(yīng)的襯底表面感應(yīng)出正電荷，這些正電荷抵消 N 溝道中的電子，從而在襯底表面產(chǎn)生一個(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)減小。當(dāng)負(fù)柵源電壓增大到某一電壓 VGS(off) 時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使 VDS 仍存在，也不會產(chǎn)生漏極電流，即漏極電流為 0。

4.3 P 溝道耗盡型

P 溝道耗盡型 MOS 管的工作原理與 N 溝道耗盡型 MOS 管完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性相反，參考 N 溝道耗盡型 MOS 部分的原理。

5. 示意圖區(qū)分

現(xiàn)在可以將 MOS 的物理結(jié)構(gòu)圖和電氣符號結(jié)合起來，其中左側(cè)為物理結(jié)構(gòu)圖，右側(cè)為電氣符號 從左到右，從上到下依次為：N 溝道增強(qiáng)型，N 溝道耗盡型，P 溝道增強(qiáng)型，P 溝道耗盡型。

6. 總結(jié)

(1) 耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別在于耗盡型 MOS 管在柵極 G 不加電壓時(shí)有導(dǎo)電溝道存在，而增強(qiáng)型 MOS 管只有在開啟后，才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

(2) 兩者的控制方式也不一樣，耗盡型 MOS 管的柵源電壓 VGS 可以用正，零，負(fù)電壓控制導(dǎo)通，而增強(qiáng)型 MOS 管則固定需要 VGS>VGS(th) 才能導(dǎo)通。

(3) MOS 管改變柵源電壓 VGS，實(shí)際是改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

(4) 由于 N 溝道增強(qiáng)型使用的是正柵源電壓，不用考慮上電時(shí)序，而耗盡型使用負(fù)柵源電壓，必須考慮上電時(shí)序。

(5) 除了絕緣柵這種物理結(jié)構(gòu)的 MOS 管之外還有 JFET 結(jié)型結(jié)構(gòu)的 MOS。

(6) MOS 柵源之間隔著氧化物兩級之間構(gòu)成一個(gè)電容，通過兩級電壓（而不是電流）感應(yīng)出電場，所以屬于電壓驅(qū)動型器件。