Hi，大家好。歡迎來(lái)到我們 【半導(dǎo)體概念科普】 系列文章，本系列會(huì)針對(duì)半導(dǎo)體重要且基礎(chǔ)的概念做一些科普，輔助一些技術(shù)報(bào)告/文章的閱讀和理解。
集成電路按照所使用的半導(dǎo)體材料，分為硅IC和化合物IC兩大類，硅IC可以分為MOS型和雙極結(jié)型晶體管 ，兩者都既可以用自由電子位載流子，又可以用空穴為載流子。MOS中有不同的類型，如以電子（負(fù)：negative）為載流子的“nMOS”，以空穴（正：positive）為載流子的“pMOS”,還有以雙方組合（complementary）而成的“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（CMOS）”
今天我們圍繞MOS這個(gè)概念展開(kāi)，講一講 MOS的概念、工作原理、分類以及相關(guān)應(yīng)用。
一 、什么是MOSFET？
MOS 的英文全稱就是MOSFET,其中后綴FET是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(xiě) ，F(xiàn)ET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。
FET是具有源極（S），柵極（G），漏極（D）和主體（B）端子的四端子設(shè)備。FET通過(guò)向柵極施加電壓來(lái)控制電流，從而改變漏極和源極之間的電導(dǎo)率。 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 。 也就是說(shuō)，F(xiàn)ET在其操作中使用電子或空穴作為電荷載流子，但不能同時(shí)使用兩者。
場(chǎng)效應(yīng)管主要有兩種類型，分別是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管）。
MOSFET 的中文全稱是金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于這種場(chǎng)效應(yīng)管的柵極被絕緣層隔離，所以又叫絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。
MOSFET由Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng于1959年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，并于1960年6月首次推出。它是現(xiàn)代電子學(xué)的基本組成部分，也是歷史上最常用的器件，自1960年代以來(lái)， MOSFET的縮小和小型化 一直在推動(dòng)電子半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了諸如存儲(chǔ)芯片和微處理器之類的高密度IC。MOSFET被認(rèn)為是電子行業(yè)的“主力軍”。
二、MOSFET的結(jié)構(gòu)
通常，MOSFET的主體B與源極S端子相連，因此形成了一個(gè)三端設(shè)備，一般結(jié)構(gòu)如下：
上圖是原理性的，原理上源極和漏極確實(shí)是對(duì)稱且不區(qū)分的。但在實(shí)際應(yīng)用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個(gè)二極管，起保護(hù)作用，正是這個(gè)二極管決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便于實(shí)用。
根據(jù)上述MOSFET結(jié)構(gòu)， MOSFET的功能取決于溝道寬度中發(fā)生的電氣變化以及載流子（空穴或電子）的流動(dòng) 。 電荷載流子通過(guò)源極端子進(jìn)入通道，并通過(guò)漏極離開(kāi)。
溝道的寬度由稱為柵極的電極上的電壓控制 ，該電極位于源極和漏極之間。它與極薄的金屬氧化物層附近的通道絕緣。
帶有端子的MOSFET
相關(guān)概念解釋
1：P or N
“P”表示正電的意思，取自英文Positive的第一個(gè)字母。在這類半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的 (即電荷載體) 主要是帶正電的空穴，這些空穴來(lái)自半導(dǎo)體中的受主。
“N”表示負(fù)電的意思，取自英文Negative的第一個(gè)字母。在這類半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的 (即導(dǎo)電載體) 主要是帶負(fù)電的電子，這些電子來(lái)自半導(dǎo)體中的施主。
摻雜和缺陷均可造成導(dǎo)帶中電子濃度的增高. 對(duì)于鍺、硅類半導(dǎo)體材料，摻雜Ⅴ族元素(磷、砷、銻等)，當(dāng)雜質(zhì)原子以替位方式取代晶格中的鍺、硅原子時(shí)，可提供除滿足共價(jià)鍵配位以外的一個(gè)多余電子，這就形成了半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子濃度的增加，該類雜質(zhì)原子稱為施主。
2：金屬氧化膜
圖中有指示，這個(gè)膜是絕緣的，用來(lái)電氣隔離，使得柵極只能形成電場(chǎng)，不能通過(guò)直流電，因此是用電壓控制的。在直流電氣上，柵極和源漏極是斷路。這個(gè)膜越薄，電場(chǎng)作用越好、坎壓越小、相同柵極電壓時(shí)導(dǎo)通能力越強(qiáng)。壞處是：越容易擊穿、工藝制作難度越大而價(jià)格越貴。
3：溝道
中間一個(gè)窄長(zhǎng)條就是溝道，使得左右兩塊極連在一起，因此mos管導(dǎo)通后是電阻特性，因此它的一個(gè)重要參數(shù)就是導(dǎo)通電阻，選用mos管必須清楚這個(gè)參數(shù)是否符合需求。
Youtube 關(guān)于 MOSFET的 學(xué)習(xí)視頻?? 以增強(qiáng)型 MOS 管為例，我們先簡(jiǎn)單來(lái)看下 MOS 管的工作原理。 由結(jié)構(gòu)我們可以看到 MOS 管類似三極管，也是背靠背的兩個(gè)PN結(jié)！三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區(qū)通過(guò)電子-空穴復(fù)合來(lái)控制電子之間的導(dǎo)通，MOS 管則利用電場(chǎng)來(lái)在柵極形成載流子溝道來(lái)溝通DS之間。 如上圖，在開(kāi)啟電壓不足時(shí)，N區(qū)和襯底P之間因?yàn)檩d流子的自然復(fù)合會(huì)形成一個(gè)中性的耗盡區(qū)。給柵極提供正向電壓后，P區(qū)的少子（電子）會(huì)在電場(chǎng)的作用下聚集到柵極氧化硅下，最后會(huì)形成一個(gè)以電子為多子的區(qū)域，叫反型層，稱為反型因?yàn)槭窃赑型襯底區(qū)形成了一個(gè)N型溝道區(qū)。這樣DS之間就導(dǎo)通了。 MOSFET可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型， 但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管 ，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。 對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS 。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。 概念1：MOSFET耗盡型和增強(qiáng)型的區(qū)別： 耗盡模式 當(dāng)柵極端子兩端沒(méi)有電壓時(shí)，通道將顯示其最大電導(dǎo)。而當(dāng)柵極端子兩端的電壓為正或負(fù)時(shí)，則溝道電導(dǎo)率會(huì)降低。 增強(qiáng)模式 當(dāng)柵極端子兩端沒(méi)有電壓時(shí)，該器件將不導(dǎo)通。當(dāng)柵極端子兩端的電壓最大時(shí)，該器件將顯示出增強(qiáng)的導(dǎo)電性。 相對(duì)于耗盡型，增強(qiáng)型是通過(guò)“加厚”導(dǎo)電溝道的厚度來(lái)導(dǎo)通，如圖， 柵極電壓越低，則p型源、漏極的正離子就越靠近中間，n襯底的負(fù)離子就越遠(yuǎn)離柵極，柵極電壓達(dá)到一個(gè)值，叫閥值或坎壓時(shí)，由p型游離出來(lái)的正離子連在一起，形成通道，就是圖示效果。 因此，容易理解，柵極電壓必須低到一定程度才能導(dǎo)通，電壓越低，通道越厚，導(dǎo)通電阻越小。 由于電場(chǎng)的強(qiáng)度與距離平方成正比，因此，電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度之后，電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了，也是因?yàn)閚型負(fù)離子的“退讓”是越來(lái)越難的。耗盡型的是事先做出一個(gè)導(dǎo)通層，用柵極來(lái)加厚或者減薄來(lái)控制源漏的導(dǎo)通。但這種管子一般不生產(chǎn)，在市面基本見(jiàn)不到。所以，大家平時(shí)說(shuō)mos管，就默認(rèn)是增強(qiáng)型的。 概念2： P溝道MOSFET和N溝道MOSFET的區(qū)別： P溝道MOSFET P溝道MOSFET具有位于源極端子和漏極端子之間的P溝道區(qū)域。它是一個(gè)四端子設(shè)備，其端子分別為柵極，漏極，源極和主體。漏極和源極是重?fù)诫s的p +區(qū)，主體或襯底為n型。電流流向帶正電的空穴的方向。 當(dāng)我們?cè)跂艠O端施加具有排斥力的負(fù)電壓時(shí)，存在于氧化層下方的電子將被向下推入基板。耗盡區(qū)由與施主原子相關(guān)的結(jié)合正電荷構(gòu)成。負(fù)柵極電壓還會(huì)將空穴從p +源極和漏極區(qū)吸引到溝道區(qū)中。 N溝道MOSFET N溝道MOSFET具有位于源極和漏極端子之間的N溝道區(qū)域。它是一個(gè)四端子設(shè)備，其端子分別為柵極，漏極，源極，主體。在這種場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，漏極和源極是重?fù)诫s的n +區(qū)域，襯底或主體是P型的。 由于帶負(fù)電的電子，在這種類型的MOSFET中發(fā)生電流流動(dòng)。當(dāng)我們?cè)跂艠O端子上施加具有排斥力的正電壓時(shí)，則存在于氧化層下方的空穴將被向下推入基板。耗盡區(qū)由與受體原子相關(guān)的結(jié)合負(fù)電荷構(gòu)成。 在電子到達(dá)時(shí)，形成通道。正電壓還將電子從n +源極和漏極區(qū)吸引到溝道中?，F(xiàn)在，如果在漏極和源極之間施加電壓，電流將在源極和漏極之間自由流動(dòng)，而柵極電壓控制著溝道中的電子。如果我們施加負(fù)電壓，則將在氧化層下方形成一個(gè)空穴通道，而不是正電壓。 導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。 NMOS的特性，Vgs(電壓)大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng))，只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs（電壓）小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。 但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。 不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。 選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。 MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失 。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，損失也越大。 MOSFET工作區(qū) 在最一般的情況下，MOSFET設(shè)備操作主要發(fā)生在三個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域如下： 截止區(qū)域 –這是設(shè)備將處于關(guān)閉狀態(tài)且零電流流過(guò)的區(qū)域。在此，該設(shè)備用作基本開(kāi)關(guān)，并在需要用作電氣開(kāi)關(guān)時(shí)使用。
飽和區(qū)域 –在該區(qū)域中，器件的漏極至源極電流值將保持恒定，而無(wú)需考慮漏極至源極兩端的電壓升高。當(dāng)漏極到源極端子之間的電壓增加超過(guò)夾斷電壓值時(shí)，只會(huì)發(fā)生一次。在這種情況下，該設(shè)備用作閉合開(kāi)關(guān)，流過(guò)漏極到源極端子的電流達(dá)到飽和水平。因此，當(dāng)設(shè)備應(yīng)該進(jìn)行切換時(shí)，選擇飽和區(qū)域。
線性/歐姆區(qū)域 –該區(qū)域是漏極至源極兩端的電流隨漏極至源極路徑兩端電壓的增加而增強(qiáng)的區(qū)域。MOSFET器件在此線性區(qū)域中起作用時(shí)，它們將執(zhí)行放大器功能。
Vgs 對(duì)MOS 管的開(kāi)啟作用，一定范圍內(nèi) Vgs>Vth，Vds<Vgs-Vth，Vgs 越大，反型層越寬，電流越大。這個(gè)區(qū)域?yàn)?MOS 管的線性區(qū)（可變電阻區(qū)）。即： （縮寫(xiě)解釋 ：VGS是柵極和源極之間的電壓降，確定晶體管的工作狀態(tài)：導(dǎo)通/截止，或者弱反/強(qiáng)反/速度飽和；VDS是漏極和源極之間的電壓降，模擬電路中控制晶體管工作在飽和區(qū)或者線性電阻區(qū)。Vth是 閾值電壓 ） Vgs 為常數(shù)時(shí)，Vds 上升，Id 近似線性上升，表現(xiàn)為一種電阻特性。 Vds 為常數(shù)時(shí)，Vgs 上升，Id 近似線性上升，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。 當(dāng) Vgs>Vth，Vds<Vgs-Vth 時(shí)，分析同上曲線左側(cè)，電流Id隨Vds上升而上升，為可變電阻區(qū)。 當(dāng) Vds>Vgs-Vth 后，我們可以看到因?yàn)镈S之間的電場(chǎng)開(kāi)始導(dǎo)致右側(cè)的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開(kāi)始變緩慢。當(dāng)Vds增大一定程度后，右溝道被完全夾斷了！ 此時(shí)DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區(qū)，夾斷區(qū)的增大即溝道寬度W減小導(dǎo)致的電阻增大抵消了Vds對(duì)Id的正向作用，因此導(dǎo)致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時(shí)的D端載流子是在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下掃過(guò)耗盡區(qū)達(dá)到S端！ 這個(gè)區(qū)域?yàn)?MOS 管的恒流區(qū)，也叫飽和區(qū)，放大區(qū)。 但是因?yàn)橛袦系勒{(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致溝道長(zhǎng)度 L 有變化，所以曲線稍微上翹一點(diǎn)。 重點(diǎn)備注：MOS 管與三極管的工作區(qū)定義差別 三極管的飽和區(qū)：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。 MOS 管的飽和區(qū)：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。 以上是關(guān)于MOSFET的基本概念科普，關(guān)于它的應(yīng)用也有很多知識(shí)點(diǎn)，因?yàn)槠?，我們隨后再出續(xù)集介紹。 想要看什么內(nèi)容可在評(píng)論區(qū)留言哦 了解MOS管，看這個(gè)就夠了！，電子工程專輯 深度聊聊MOS管，來(lái)源：EETOP 博客 作者：許歡
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