晶体管与场效应管(金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）漫谈)

Posted 2023-05-29

篇首语：当筵意气临九霄，星离雨散不终朝。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了晶体管与场效应管(金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）漫谈)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

晶体管与场效应管(金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）漫谈)

场效应管是一种被广泛地运用在模拟电路和数字电路中的晶体管。场效应管分为两种，一种是金属氧化物半导体场效应管即MOSFET，另一种为结型场效应管JFET。这一次我们将重点放在金属氧化物半导体场效应管上。MOSFET是上个世纪70年代和80年代电子领域中最重要的技术革命，奠定了集成电路的基础，使得例如处理器，FPGA等大型集成电路技术上成为可能。

在这一个课题中，我们将从MOSFET的物理结构出发，对其电气特性进行讨论，从而可以理解MOSFET与常见的双极型晶体管BJT之间的区别。关于BJT的具体特征，可以参考另一篇文档三极管漫谈。

相对于BJT来说，MOSFET的尺寸小得多，所以在集成电路中可以占据非常小的面积。除了应用中模拟电路中，数字电路可以完全通过MOSFET来实现，而不需要真实的电阻，电容或者二极管等分立器件。

MOSFET中的电流，由垂直于其表面以及电流方向的电场决定。这种通过调节垂直于半导体表面的电场来改变通过其电流或者阻抗的效应称为场效应。

1. MOS电容结构

MOSFET结构的核心是金属-氧化物-半导体电容，即MOS电容。MOS电容自身并不是一种广泛应用的器件，但是却是整个MOS晶体管的核心单元。MOS中的金属最初是铝，现在大多数情况被沉积在氧化物上的多晶硅代替。MOS电容的基本架构如下所示。

图中，tox是氧化物的厚度，εox为氧化物的介电常数。MOS电容的物理特性可以借助于常见的平板电容来理解。下图是P型半导体的MOS电容结构，顶端的金属，称为门极，相对于基底的P型半导体施加负向偏置电压。门极的金属端将聚集负电荷，同时呈现出如图中箭头所示方向的电场。

如果电场穿透半导体区域，P型半导体中的空穴会在电场力的作用下向氧化物-半导体界面移动。稳定状态下的电子空穴分布如下图所示，在氧化物-半导体的界面形成了带正电的空穴聚集层，而在金属端即门极形成了电子的聚集层，这和平板电容形成电场的机制相同。这也是MOS电容形成的机理。

接下来将加载在MOS电容的偏置电压反向，如下图所示。在门极端聚集了正电荷，激发的电场方向发生了反转。在这种状况下，如果电场强度穿透半导体区域，那么P型半导体中的空穴受到电场力的作用而远离氧化物-半导体界面。

空穴被驱离，从而在氧化物-半导体界面处形成负电荷的空间电荷层。门极施加的电压值越高，感应电场越强。作为少子的自由电子被吸引到氧化物-半导体的交界处，如下图所示。形成少子载流子电子的区域称为电子反转层。

N型半导体形成的MOS电容机制与P型半导体相类似。下图是N型半导体MOS电容的结构示意图，在门级施加正向偏置电压时，在门级产生正电荷，感应产生出相应的电场；同时在氧化物-半导体界面处产生电子聚集层。

当在N型MOS电容的门极施加反向偏置电压时，感应电场在N型半导体的基底区域感应出正的空间电荷区。当施加的电压增加时，在氧化物-半导体界面处产生正电荷区域，称为空穴反转区。

需要施加一定的电压才能产生电荷反转区的特性称为增强模式。N型半导体基底的MOS电容需要在门极施加负电压才能形成反转区，而P型半导体基底的MOS电容需要在门极施加正电压。

2. N沟道增强型MOSFET

下图是N型增强型MOSFET的基本结构，其门极，氧化物以及P型基底和MOS电容的结构相同。MOSFET中的电流是反转层电荷流动的结构，反转层也称为沟道区，靠近氧化物-半导体的界面。沟道的长度L和宽度W如下图所示。在过去的时间里，半导体工艺不断进步，MOSFET的尺寸也不断缩小。早期的集成电路金氧半场效晶体管工艺里，沟道长度约在几个微米的等级。时至今日，L和W已经在nm的数量级。

MOSFET的横向切面如下图所示，晶体管制造在P型半导体衬底上，P型衬底是一个为整个电路提供物理支撑的单晶硅片。在衬底上有两个重掺杂的N型区，即如中的n+源区和n+漏区。厚度为tox的薄层二氧化硅作为生长在衬底上的绝缘体覆盖在源区和漏区之间的区域。在氧化层上沉积一层金属来形成器件的栅极电极。源区，漏区以及称为背栅的衬底上都需要连接出电极。因此MOSFET具有四个电极，栅极G，源极S，漏极D以及衬底极B。

从MOSFET的结构上可以看出，衬底与源区和漏区均组成了PN结，所以在实际的应用中，这些PN结在任何时间都需要保持反向偏置。假设漏区相对源区存在正压降，只要将衬底电极连接到源极，就可以使得这两个PN结处于有效截止状态。所以通常的讨论中，MOSFET可以当成三端器件来处理，三个端子分别是栅极G，源极S和漏极D。同时，从MOSFET的结构来看，MOSFET是一种对称结构的器件，其源极和漏极可以互换，且不改变器件的特性。

到这里我们可以看到，器件的名称，金属-氧化物-半导体场效应管来源于其物理结构。该名称也成为一个通用的名字，即使栅极不再是金属。大多数现代的MOSFET采用硅栅技术的工艺制成。MOSFET的另一个名字也叫绝缘栅场效应管，该名字同样源自于其物理结构，因为栅极与器件衬底是通过氧化层实现电绝缘的，这使得栅极电流非常小，通常在10^(-15)A量级。

3. MOSFET基本工作特性

3.1 无栅极电压

当MOSFET的栅极没有施加偏置电压时，可以把MOSFET看作由源极和漏极之间两个背靠背的二极管组成。其中一个二极管由n+漏区和P型衬底之间的PN结形成，另一个二极管由n+源区与P型衬底的PN结形成。

当在源极和漏极之间加载电压时，由于二极管的反向截至电压，电流几乎为0。通常情况下，源极和漏极之间的电阻值在10^12ohm的量级。

3.2 施加栅极电压

接下来将MOSFET的源极和衬底接地，只在栅极上施加一个正电压。如前面在MOS电容部分讨论的那样，栅极电压在MOSFET内部形成方向向下的电场，排斥栅极衬底区域中的空穴，这些空穴向下进入衬底，从而形成载流子耗尽区域。该耗尽区域是与受主杂质原子相关联的带负电的束缚电荷。这些电荷没有被复合掉的原因在于原先中和它们的空穴被排斥到衬底的底部了。

同时，正栅极电压从源区和漏区吸引多子载流子，电子，进入沟道区域。当栅极下衬底附近聚集了足够多的电子时，就形成了相应的电子反转区，从而连接漏区和源区。如果此时在MOSFET的源极和漏极之间施加电压，电子反转区就产生了相应的电子传导电流。

由于必须在栅极施加一定电压才能产生电子反转区，使得源极和漏极导通，这类的晶体管称为增强型MOSFET。反转区的载流子是电子，这种器件称为N沟道MOSFET。

流过MOSFET的电流幅值与反转区的电荷数量相关，进一步取决于在栅极上施加的电压值。在沟道区域聚集足够数量的电子形成反转区，这时能够抵消半导体基底多子载流子浓度时，在栅极施加的电压值称为N沟道MOSFET的开启电压VTN。下图是施加在栅极的电压分别小于和大于阈值电压时，MOSFET的工作状态。

3.3 MOSFET电流与漏源极VDS之间的关系

当漏极和源极之间施加一个较小电压时，电子从源极向漏区流动；电流大小取决于沟道中的电子密度，进一步取决于VGS的大小。当栅极电压VGS低于开启电压VTN时，MOSFET中的电流值为0；当栅极电压VGS高于开启电压VTN时电子反转区形成，电流形成。下图显示了当VGS>VTN，较小的VDS施加在MOSFET上时的状态，在整个沟道长度内，反转电荷密度恒定，通过MOSFET的电流值iD与vDS值呈线性关系。

当vDS逐渐增加时，由于漏极电压增大，漏极端氧化物的偏置电压下降，引起靠近漏极的感应反转电荷密度减小，沟道沿源漏极方向逐渐变窄。

当vDS增加使得vGD = vTN，即vDS=vGS-vTN时，沟道在漏极一侧出现了夹断点，通过MOSFET的电流值开始不随vDS的变化而变化。

vDS继续增加，当vDS>vGS-vTN时，电子从源极进入沟道，通过沟道到达漏极。在反转电荷为0的位置，电子进入空间电荷区，并被电场驱动至漏极。这时电流的大小几乎与vDS无关，即MOSFET进入恒流工作区域。

综合起来，N型增强型MOSFET的工作区域可以用下图来表示，vDS<vGS-vTN时成为可变电阻区，也叫欧姆区；随着vDS的增大MOSFEET进入饱和区。vGS<vTN的区域成为夹断区。

欧姆区：可变电阻区。如果漏源极电压为0，无论栅源极电压是多少，漏极电流依然为0。这个区域处于下图中vGS – vTN = vDS这条曲线的左侧，MOSFET工作在这个区域时，即使漏极的电流非常大，但MOSFET的功耗依然可以控制的很低。在开关电源的应用中，MOSFET基本上工作在这一区域。

饱和区：恒定电流区，这个区域处于下图中vGS – vTN = vDS这条曲线的右侧，MOSFET工作在这个区域时，漏极的电流受栅源极电压而不是漏源极电压影响。这个区域的漏极电流称为饱和电流，每一个中vGS 对应一个漏极电流iD，此时将iD视为vGS电压控制的恒流源。

夹断区：栅源极电压小于阈值电压。

3.4 N沟道耗尽型MOSFET

如果在制造MOSFET的过程中，在氧化物绝缘层中掺入大量正离子，即使在vGS为0时，在正离子的作用下P型半导体基底依然存在电荷反转区，即漏源之间存在着沟道，只要在漏源之间施加电压，就会产生漏极电流。这种类型的MOSFET称为耗尽型MOSFET。

当vGS为正时，反转电荷区变宽，沟道电阻变小，电流增大；当vGS为负时，反转电荷区变窄，沟道电阻变大。当vGS减小一定的负值vTN时，反转电荷区消失，漏源极之间的沟道区域消失，电流为０；这时的vGS值称为夹断电压。

3.4 P沟道MOSFET

P沟道MOSFET的开启电压小于０，当vDS＜vTN时，MOSFET沟道产生，晶体管导通，漏源极之间需要加载负电源电压。

3.5 MOSFET电学符号

1)N型加强型MOSFET

2)N型耗尽型MOSFET

3)P型增强型MOSFET

4)P型耗尽型MOSFET

4. MOSFET工作电路

4.1 MOSFET放大器电路

放大器电路要实现的目的是忠实复现输入信号，并在幅值上按比例放大，输入信号可以是电压信号也可以是电流信号。与BJT类似，MOSFET要实现对信号的放大作用，首先需要对其进行直流偏置。下图是幅值为1V，频率为20Khz的输入信号，经过MOSFET放大之后的状态。

4.2 MOSFET开关电路

4.3 CMOS电路

5. 小结

以上浅尝辄止地讨论了MOSFET的基本原理以及一些简单应用。MOSFET作为一种重要的半导体器件在电路中的用法非常广泛，作为开关电源是一种非常主流的开关器件，对开关电源的性能起到非常关键的作用。在后面的话题中，我们一定会重新来探讨这个重要的器件。

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