什么是場效應(yīng)管？mos管工作原理詳解

場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應(yīng)管。主要有兩種類型：結(jié)型場效應(yīng)管(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET)。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。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、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。場效應(yīng)管(FET)是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來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，又稱單極型晶體管。FET 英文為Field Effect Transistor，簡寫成FET。

MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示;其導(dǎo)通時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)，又稱為VMOSFET，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

其主要特點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)通時在兩個高濃度n擴散區(qū)間形成n型導(dǎo)電溝道。n溝道增強型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，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、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，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，在再這個絕緣層膜上加上金屬和一個鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個N溝道(NPN型)增強型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、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個P溝道(PNP型)增強型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。

場效應(yīng)管(MOSFET)也成為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，是一種絕緣柵場效應(yīng)晶體管。這個名稱中，金屬是最開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。

場效應(yīng)管有柵極(gate)、漏極(drain)、源極(source)三個端，分別對應(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，場效應(yīng)管幾乎不需要輸入電流來控制負(fù)載電流。在增強型場效應(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。在耗盡型場效應(yīng)管中，施加電壓會降低導(dǎo)通狀態(tài)的電導(dǎo)率。

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

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

當(dāng)在MOS結(jié)構(gòu)上施加電壓時，它會改變半導(dǎo)體中的電荷分布。從柵極到主體的正電壓通過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P—N結(jié)的二極管的工作過程。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，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過。這是因為在P型半導(dǎo)體端為正電壓時，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)體端運動，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，這時在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，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。

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

此時若在柵-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)生一個柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個電容，VGS等效是對這個電容充電，并形成一個電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT(一般約為 2V)時，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，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。這就是所謂的增強模式。

場效應(yīng)管工作原理用一句話說，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，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)生耗盡層擴展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區(qū)域，表示的過渡層的擴展因為不很大，根據(jù)漏極-源極間所加VDS的電場，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。從門極向漏極擴展的過度層將溝道的一部分構(gòu)成堵塞型，ID飽和。

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

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

對于N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場效應(yīng)管的輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應(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，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過。這是因為在P型半導(dǎo)體端為正電壓時，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)體端運動，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，這時在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，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。

在柵極沒有電壓時，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時場效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)(圖7a)。當(dāng)有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應(yīng)管柵極上時，由于電場的作用，此時N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導(dǎo)體中(見圖7b)，從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通?？梢韵胂駷閮蓚€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。