MOSFET
MOSFET,金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管,簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)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(shù)字電路的場(chǎng)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(jiǎn)稱尚包括NMOS、PMOS等。
本文主要涉及到的內(nèi)容有:
(1)半導(dǎo)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(hào)理解;
(6)MOSFET主要參數(shù)。
(一)基本概念-半導(dǎo)體
金屬材料可以導(dǎo)電,絕緣材料不導(dǎo)電,那怎么樣實(shí)現(xiàn)一個(gè)東西既能夠?qū)щ娪帜軌虿粚?dǎo)電?那就是半導(dǎo)體。MOSFET作為一種半導(dǎo)體器件,我們需要它實(shí)現(xiàn)的功能按最簡(jiǎn)單話來(lái)說(shuō)就是既能夠?qū)崿F(xiàn)電路的通,又能夠?qū)崿F(xiàn)電路的斷。放在數(shù)字電路里,這就是實(shí)現(xiàn)0和1的方式,在功率電路里,這就是實(shí)現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)換器工作的基本手段,這都是后話。
如何實(shí)現(xiàn)通?當(dāng)材料內(nèi)部具有自由移動(dòng)的電子(負(fù)電荷)或者空穴(正電荷)的時(shí)候就是導(dǎo)通的(假如說(shuō)電子或空穴被晶格束縛,那么同樣無(wú)法導(dǎo)電),存在載流子的時(shí)候材料是導(dǎo)通的。如何實(shí)現(xiàn)斷?那就是將一定區(qū)域內(nèi)的自由載流子去除,材料就不能夠?qū)щ娏?,從而達(dá)到阻斷電流的作用。
我們目前用得最多的半導(dǎo)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(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu),因此它本身是無(wú)法導(dǎo)電的,如下圖所示,所有電子和原子核都被牢牢束縛在穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中出不來(lái),所以沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷。
而當(dāng)材料中摻雜了其他元素,比如說(shuō)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(jié)構(gòu)中就有了除了最外層4個(gè)以外的一個(gè)電子(即多數(shù)載流子為電子),摻雜了Ⅲ族元素,結(jié)構(gòu)中就缺了一個(gè)電子構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),即形成一個(gè)空穴(即多數(shù)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(gè)電子,四個(gè)電子參與形成共價(jià)鍵,因此還剩余一個(gè)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(gè)電子,只有三個(gè)電子用于形成共價(jià)鍵,因此留下一個(gè)空穴。為了方便,可以直接將電子和空穴理解成負(fù)電荷和正電荷。
由于帶電粒子在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生移動(dòng),假如在電場(chǎng)的作用下,使得結(jié)構(gòu)中的電子和空穴都跑掉了,那么這個(gè)區(qū)域不存在自由移動(dòng)的載流子,因此區(qū)域就不再導(dǎo)電,這樣的區(qū)域稱為耗盡區(qū)(載流子被電場(chǎng)耗盡)。牢牢記住,耗盡區(qū)內(nèi)不存在自由移動(dòng)的載流子,因此是斷開(kāi)狀態(tài)。MOS的核心原理就是利用電場(chǎng)的作用,使得一定區(qū)域時(shí)而導(dǎo)電時(shí)而斷開(kāi)。
(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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。名字一長(zhǎng)串,一看就記不住。相信大家跟我應(yīng)該是一樣的感覺(jué)。但這個(gè)名字實(shí)際上是跟其結(jié)構(gòu)息息相關(guān),只要理解它,記住并不是難事。為什么這么說(shuō),我們看下圖中的核心結(jié)構(gòu)(這不是MOSFET,僅僅是取其中局部進(jìn)行講解)。從上往下依次是金屬、氧化層、摻雜的半導(dǎo)體材料,連起來(lái)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(chǎng),所以FET實(shí)際上就是指這種器件是電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的晶體管。如果在上下極板加上正電壓,就會(huì)在材料中建立電場(chǎng),如下圖所示,其中綠色的線為電場(chǎng)線。
由于圖中這里所示為P摻雜(Ⅲ族元素?fù)诫s),紅色區(qū)域中存在空穴(也就是正電荷),在外加電場(chǎng)的作用下,正電荷就會(huì)往下離開(kāi),從而在上表面形成不含有自由載流子的區(qū)域,也就是耗盡區(qū)(depletion region)。
而施加的電壓足夠高時(shí),將把耗盡層內(nèi)的空穴進(jìn)一步驅(qū)趕,并吸引電子往上表面運(yùn)動(dòng),在上表面堆積可以導(dǎo)電的電子,從而形成N型半導(dǎo)體,從而形成反型層(之所以叫反型層是指在電場(chǎng)作用下,該區(qū)域內(nèi)的自由載流子與摻雜形成的半導(dǎo)體載流子相反)。一般我們將開(kāi)始形成反型層時(shí)施加的電壓稱為 ,即門(mén)檻電壓。反型層也就是我們后面要提到的導(dǎo)電溝道(沿水平方向形成導(dǎo)電溝道)。這到底和MOSFET工作有什么關(guān)系?
在維基百科上看到的導(dǎo)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(jié)構(gòu)如下圖所示。可以看到,從左到右為NPN的摻雜,在擴(kuò)散作用下,會(huì)自然形成像圖中所示的深紅色的耗盡區(qū)(depletion region),根據(jù)前面所述,耗盡區(qū)是不能導(dǎo)電的,因此漏極(Drain)到源極(Source)在未加外加電場(chǎng)的時(shí)是斷開(kāi)的,因此該結(jié)構(gòu)是Normal off的結(jié)構(gòu)。
注意到,圖中正中心區(qū)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(dāng)VGS>0,會(huì)開(kāi)始在氧化層下面首先形成新的耗盡層,如下如所示。
當(dāng)VGS大于VTH,形成反型層,如下圖所示。
由于反型層相當(dāng)于N摻雜的半導(dǎo)體,因此D和S直接直接連通,因此MOSFET導(dǎo)電溝道形成,進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。
(四)MOSFET 輸出特性
如下圖所示為增強(qiáng)型N溝道MOS輸出特性。
對(duì)于上圖所示的MOS,有三種工作區(qū)域:
1)夾斷區(qū)(cutoff mode)
當(dāng)VGS<Vth,時(shí)MOS處于此工作區(qū)域,基本處于斷開(kāi)狀態(tài),但是此時(shí)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(qū)(linear mode)
當(dāng)VGS>Vth且VDS<VGS-Vth時(shí)為此區(qū)域,電流滿足:
3)飽和區(qū)(saturation mode)
當(dāng)VGS>Vth且VDS≥(VGS-Vth)時(shí)為飽和區(qū),電流滿足:
(五)MOSFET 符號(hào)與命名
前面僅僅是談到了增強(qiáng)型P溝道的MOSFET,而實(shí)際上的MOSFET是一個(gè)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(hào)怎么記住呢?有規(guī)律!
1、門(mén)極符號(hào)
MOSFET不同于JFET,在Gate是不與導(dǎo)電溝道相連的,是有一層氧化絕緣層的,因此從符號(hào)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(xì)心的你可能還會(huì)發(fā)現(xiàn),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(jié)構(gòu)上靠得更近。
2、溝道形狀
增強(qiáng)型MOSFET在未加外部電壓時(shí)為斷開(kāi)(normal off),而耗盡型MOSFET則在未加外部電壓時(shí)為導(dǎo)通(normal on)。所以增強(qiáng)型MOSFET的溝道為三段虛線,意味著還未導(dǎo)通,而耗盡型MOSFET的溝道則是一條直線。
3、箭頭方向
對(duì)于含有bulk connection的MOSFET,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,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(shù)
MOSFET參數(shù)很多,包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù),但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數(shù):
1、IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中,柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。
2、UP—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中,使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。
3、UT—開(kāi)啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中,使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。
4、gM—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓UGS—對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。
5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù),加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù),是指場(chǎng)效應(yīng)管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù),是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí),漏源間所允許通過(guò)的最大電流。場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過(guò)IDSM。
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