mosfet種類-mosfet四種類型的區(qū)別及知識(shí)要點(diǎn)解析

mosfet介紹

mosfet種類有哪些？本文主要講mosfet的四種類型。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)稱上包括NMOS、PMOS等。

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

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(gè)PN結(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起，這樣，相當(dāng)于D與S之間有一個(gè)PN結(jié)。

（一）mosfet種類-N溝道增強(qiáng)型

N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理

在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，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，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。

圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。

（2）N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理

（1）vGS對(duì)iD及溝道的控制作用

① vGS=0 的情況

從圖1(a)可以看出，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，而且不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD≈0。

② vGS>0 的情況

若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。

排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。

（2）導(dǎo)電溝道的形成：

當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。

vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。開始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS≥VT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成以后，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。

vDS對(duì)iD的影響

如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí)，漏——源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似。

漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較?。╲DS）隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。

（二）mosfet種類-N溝道耗盡型

（1）結(jié)構(gòu)：

N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。

（2）區(qū)別：

耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

（3）原因：

制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。

如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。

（三）mosfet種類-p溝道增強(qiáng)型mosfet
（1）P溝道增強(qiáng)型mosfet的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖(1)是P溝道增強(qiáng)型mosfet的結(jié)構(gòu)示意圖．通過光刻、擴(kuò)散的方法或其他手段，在N型襯底(基片)上制作出兩個(gè)摻雜的P區(qū)，分別引出電極，稱為源極(s)和漏極(D)，同時(shí)在漏極與源極之間的Si02絕緣層上制作金屬，稱為柵極(G)，柵極與其他電極是絕緣的，所以稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 。圖(2)為P溝道增強(qiáng)型MOS管的電路符號(hào)。

正常工作時(shí)，P溝道增強(qiáng)型mosfet的襯底必須與源極相連，而漏心極對(duì)源極的電壓v璐應(yīng)為負(fù)值，以保證兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏，同時(shí)為了在襯底頂表面附近形成導(dǎo)電溝道。柵極對(duì)源極的電壓‰也應(yīng)為負(fù)．

1．導(dǎo)電溝道的形成(VDS=0)

當(dāng)VDS=0時(shí)，在柵源之間加負(fù)電壓比，如圖(3)所示，由于絕緣層的存在，故沒有電流，但是金屬柵極被補(bǔ)充電而聚集負(fù)電荷，N型半導(dǎo)體中的多子電子被負(fù)電荷排斥向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，表面留下帶正電的離子，形成耗盡層，隨著G、S間負(fù)電壓的增加，耗盡層加寬，當(dāng)v＆增大到一定值時(shí)，襯底中的空穴(少子)被柵極中的負(fù)電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個(gè)P型薄層，稱反型層。

如下圖(4)所示，這個(gè)反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道，這時(shí)的VGs稱為開啟電壓VGS(th)，啵到vGS(th)后再增加，襯底表面感應(yīng)的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用vGs的大小控制導(dǎo)電溝道的寬度。

2．VDS≠O的情況

導(dǎo)電溝道形成以后，D，S間加負(fù)向電壓時(shí)，那么在源極與漏極之間將有漏極電流ID流通，而且ID隨/VDS/而增.ID沿溝道產(chǎn)生的壓降使溝道上各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負(fù)電荷電場(chǎng)的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄，如圖(5)所示．當(dāng)VDS增大到使VGD=VGS(即VDS=VGS一VGS(TH))，溝道在漏極附近出現(xiàn)預(yù)夾斷。

如圖(6)所示．再繼續(xù)增大VDS，夾斷區(qū)只是稍有加長，而溝道電流基本上保持預(yù)夾斷時(shí)的數(shù)值，其原因是當(dāng)出現(xiàn)預(yù)夾斷時(shí)再繼續(xù)增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏極附近的夾斷區(qū)上,故形成的漏極電流ID近似與VDS無關(guān)。

（2）P溝道增強(qiáng)型mosfet的特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線

圖(7)、(8)分別是P溝道增強(qiáng)型M06管的漏極特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線．漏極特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和夾斷區(qū)三部分．轉(zhuǎn)移特性曲線是、，璐使管子工作在漏極特性曲線的恒流區(qū)時(shí)所對(duì)應(yīng)的ID=F（VGS）曲線：

ID與VGS的近似關(guān)系式為：

（四）mosfet種類-P溝道耗盡型mosfet

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

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