什么是場(chǎng)效應(yīng)管？mos管工作原理詳解

場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(xiě)(FET))簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。主要有兩種類(lèi)型：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS-FET)。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高(107～1015Ω)、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。場(chǎng)效應(yīng)管(FET)是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱(chēng)單極型晶體管。FET 英文為Field Effect Transistor，簡(jiǎn)寫(xiě)成FET。

MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示;其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)為VMOSFET，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻，該管導(dǎo)通時(shí)在兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)間形成n型導(dǎo)電溝道。n溝道增強(qiáng)型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓，且只有柵源電壓大于閾值電壓時(shí)才有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加?xùn)艍?柵源電壓為零)時(shí)，就有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作為漏極D和源極S。

然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(Si02)絕緣層膜，在再這個(gè)絕緣層膜上加上金屬和一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道(NPN型)增強(qiáng)型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。

同樣用上述相同的方法，在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過(guò)程，就制成為一個(gè)P溝道(PNP型)增強(qiáng)型MOS管。下圖分別是N溝道和P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。

場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)也成為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，是一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這個(gè)名稱(chēng)中，金屬是最開(kāi)始在柵極使用金屬導(dǎo)體，現(xiàn)在柵極材料可能是金屬也可能是多晶硅，氧化物是絕緣柵使用二氧化硅或者其它電解質(zhì)材料，半導(dǎo)體是指用的硅半導(dǎo)體。

場(chǎng)效應(yīng)管有柵極(gate)、漏極(drain)、源極(source)三個(gè)端，分別對(duì)應(yīng)三極管的基極(base)、集電極(collector)和發(fā)射極(emitter)——可以參考：三極管的結(jié)構(gòu)和作用。

場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓決定了電導(dǎo)率，改變施加的電壓可以改變電流導(dǎo)通能力，從而起到放大作用。與三極管相比，場(chǎng)效應(yīng)管幾乎不需要輸入電流來(lái)控制負(fù)載電流。在增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管中，施加?xùn)艠O電壓可以從“常關(guān)”狀態(tài)增加電導(dǎo)率。在耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管中，施加電壓會(huì)降低導(dǎo)通狀態(tài)的電導(dǎo)率。

場(chǎng)效應(yīng)管還具有高可擴(kuò)展性，并可以縮小到更小尺寸。與三極管相比，它還具有更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的能耗和更高的密度。場(chǎng)效應(yīng)管價(jià)格更便宜，并具有簡(jiǎn)單的加工步驟，從而有很高的產(chǎn)量。

場(chǎng)效應(yīng)管既可以作為MOS集成電路芯片的一部分制造，也可作為功率場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)制造。場(chǎng)效應(yīng)管有P型或N型，因此互補(bǔ)的場(chǎng)效應(yīng)管可以用來(lái)制造功耗非常低的開(kāi)關(guān)電路。

當(dāng)在MOS結(jié)構(gòu)上施加電壓時(shí)，它會(huì)改變半導(dǎo)體中的電荷分布。從柵極到主體的正電壓通過(guò)迫使帶正電的空穴遠(yuǎn)離柵極和絕緣體/半導(dǎo)體界面而產(chǎn)生耗盡層，從而產(chǎn)生有自由電子的區(qū)域。

為解釋MOS管工作原理圖，我們先了解一下僅含有一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過(guò)程。如圖所示，我們知道在二極管加上正向電壓(P端接正極，N端接負(fù)極)時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓(P端接負(fù)極，N端接正極)時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。

增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道(沒(méi)有電流流過(guò))，所以這時(shí)漏極電流ID=0。

此時(shí)若在柵-源極間加上正向電壓，即VGS>0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)柵極指向P型硅襯底的電場(chǎng)，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無(wú)法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個(gè)電容，VGS等效是對(duì)這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場(chǎng)，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開(kāi)啟電壓VT(一般約為 2V)時(shí)，N溝道管開(kāi)始導(dǎo)通，形成漏極電流ID，我們把開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，一般用VT表示。

如果施加電壓，可以在源極端子和漏極端子之間形成電流通過(guò)的溝道。改變柵極和體區(qū)之間的電壓可以調(diào)節(jié)該層的導(dǎo)電性，從而控制漏極和源極之間的電流。這就是所謂的增強(qiáng)模式。

場(chǎng)效應(yīng)管工作原理用一句話說(shuō)，就是“漏極-源極間流經(jīng)溝道的ID， 用柵極與溝道間的pn結(jié)形成的反偏的柵極電壓進(jìn)行控制”。更正確地說(shuō)，ID流經(jīng)通路的寬度，即溝道截面積，它是由pn結(jié)反偏的變化，產(chǎn)生耗盡層擴(kuò)展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區(qū)域，表示的過(guò)渡層的擴(kuò)展因?yàn)椴缓艽螅鶕?jù)漏極-源極間所加VDS的電場(chǎng)，源極區(qū)域的某些電子被漏極拉去，即從漏極向源極有電流ID流動(dòng)。從門(mén)極向漏極擴(kuò)展的過(guò)度層將溝道的一部分構(gòu)成堵塞型，ID飽和。

將這種狀態(tài)稱(chēng)為夾斷。這意味著過(guò)渡層將溝道的一部分阻擋，并不是電流被切斷。在過(guò)渡層由于沒(méi)有電子、空穴的自由移動(dòng)，在理想狀態(tài)下幾乎具有絕緣特性，通常電流也難流動(dòng)。但是此時(shí)漏極-源極間的電場(chǎng)，實(shí)際上是兩個(gè)過(guò)渡層接觸漏極與門(mén)極下部附近，由于漂移電場(chǎng)拉去的高速電子通過(guò)過(guò)渡層。因漂移電場(chǎng)的強(qiáng)度幾乎不變產(chǎn)生ID的飽和現(xiàn)象。

其次，VGS向負(fù)的方向變化，讓VGS=VGS(off)，此時(shí)過(guò)渡層大致成為覆蓋全區(qū)域的狀態(tài)。而且VDS的電場(chǎng)大部分加到過(guò)渡層上，將電子拉向漂移方向的電場(chǎng)，只有靠近源極的很短部分，這更使電流不能流通。MOS場(chǎng)效應(yīng)管電源開(kāi)關(guān)電路MOS場(chǎng)效應(yīng)管也被稱(chēng)為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET)。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱(chēng)為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。

對(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電流是由輸入的電壓(或稱(chēng)電場(chǎng))控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱(chēng)之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。

在二極管加上正向電壓(P端接正極，N端接負(fù)極)時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓(P端接負(fù)極，N端接正極)時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。

在柵極沒(méi)有電壓時(shí)，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過(guò)，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)(圖7a)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來(lái)而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中(見(jiàn)圖7b)，從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通?？梢韵胂駷閮蓚€(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。