MOSFET結(jié)構(gòu)及工作原理

金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。

結(jié)構(gòu)

圖1是典型平面N溝道增強型MOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導體材料作襯底(圖la)，在其面上擴散了兩個N型區(qū)(圖lb)，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層(圖1c)，最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內(nèi)做成三個電極：G(柵極)、S(源極)及D(漏極)，如圖1d所示。

平面N溝道增強型MOSFET從圖1中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個PN結(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。

圖3是N溝道增強型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)圖。為了改善某些參數(shù)的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關(guān)特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝，構(gòu)成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。圖2是一種N溝道增強型功率MOSFET的結(jié)構(gòu)圖。雖然有不同的結(jié)構(gòu)，但其工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。

工作原理

要使增強型N溝道MOSFET工作，要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。如圖3所示(上面↑)。

若先不接VGS(即VGS=0)，在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結(jié)處于反向，因此漏源之間不能導電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時可以將柵極與襯底看作電容器的兩個極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質(zhì)。當加上VGS時，在絕緣層和柵極界面上感應(yīng)出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應(yīng)出負電荷(如圖3)。這層感應(yīng)的負電荷和P型襯底中的多數(shù)載流子(空穴)的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連接起來形成導電溝道。當VGS電壓太低時，感應(yīng)出來的負電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時，漏源之間仍然無電流ID。當VGS增加到一定值時，其感應(yīng)的負電荷把兩個分離的N區(qū)溝通形成N溝道，這個臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓)，用符號VT表示(一般規(guī)定在ID=10uA時的VGS作為VT)。當VGS繼續(xù)增大，負電荷增加，導電溝道擴大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線性關(guān)系，如圖4所示。此曲線稱為轉(zhuǎn)換特性。因此在一定范圍內(nèi)可以認為，改變VGS來控制漏源之間的電阻，達到控制ID的作用。

蘇州工職院機電07C3-CZW-手打由于這種結(jié)構(gòu)在VGS=0時，ID=0，稱這種MOSFET為增強型。另一類MOSFET，在VGS=0時也有一定的ID(稱為IDSS)，這種MOSFET稱為耗盡型。它的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的轉(zhuǎn)移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓(ID=0)。

耗盡型與增強型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應(yīng)出較多的負電荷，即在兩個N型區(qū)中間的P型硅內(nèi)形成一N型硅薄層而形成一導電溝道，所以在VGS=0時，有VDS作用時也有一定的ID(IDSS);當VGS有電壓時(可以是正電壓或負電壓)，改變感應(yīng)的負電荷數(shù)量，從而改變ID的大小。VP為ID=0時的-VGS，稱為夾斷電壓。