MOSFET結(jié)構(gòu)及工作原理詳解

MOSFET基本概述

MOSFET由MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體)+FET(Field Effect Transistor場效應(yīng)晶體管)這個(gè)兩個(gè)縮寫組成。即通過給金屬層(M-金屬鋁)的柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO₂)的源極施加電壓，產(chǎn)生電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)導(dǎo)電溝道開關(guān)的場效應(yīng)晶體管。由于柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO₂絕緣層隔離，MOSFET因此又被稱為絕緣柵型場效應(yīng)管。
市面上大家所說的功率場效應(yīng)晶體管通常指絕緣柵MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)。實(shí)際上場效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵兩種不同的結(jié)構(gòu)。場效應(yīng)管是利用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。它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱為單極型晶體管。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor-SIT)。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。MOSFET功率場效應(yīng)晶體管，大多數(shù)用作開關(guān)和驅(qū)動器，工作于開關(guān)狀態(tài)，耐壓從幾十伏到上千伏，工作電流可達(dá)幾安培到幾十安。功率MOSFET基本上都是增強(qiáng)型MOSFET，它具有優(yōu)良的開關(guān)特性。

MOSFET的分類

MOSFET的種類：按導(dǎo)電溝道類型可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：耗盡型-當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；增強(qiáng)型-對于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

MOS管結(jié)構(gòu)原理圖解

(以N溝道增強(qiáng)型為例)

N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)如圖5所示。它以一塊低摻雜的P型硅片為襯底，利用擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜的N⁺區(qū)，并引入兩個(gè)電極分別為源極S(Source)和漏極D(Drain),半導(dǎo)體上制作一層SiO₂絕緣層，再在SiO₂上面制作一層金屬鋁Al，引出電極，作為柵極G(Gate)。通常將襯底與源極接在一起使用。這樣，柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板，中間是絕緣層，形成電容。當(dāng)柵-源電壓變化時(shí)，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

MOS管工作原理詳解

(N溝道增強(qiáng)型為例)

• 當(dāng)柵-源之間不加電壓時(shí)即V_GS=0時(shí)，源漏之間是兩只背向的PN結(jié)。不管V_DS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，所以不存在導(dǎo)電溝道。

• 當(dāng)U_DS=0且U_GS>0時(shí)，由于SiO₂的存在，柵極電流為零。但是柵極金屬層將聚集正電荷．它們排斥P型襯底靠近 SiO₂一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層，如圖6所示

• 當(dāng)U_GS增大時(shí)，一方面耗盡層增寬，另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個(gè)N型薄層，稱為反型層，如圖7所示。這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏-源之間的導(dǎo)電溝道。使溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓U_GS(th)/V_T。UGS電壓越大，形成的反層型越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。

• 當(dāng)VGS>VT且VDS較小時(shí)，基本MOS結(jié)構(gòu)的示意圖如圖8-1所示。圖中反型溝道層的厚度定性地表明了相對電荷密度，這時(shí)的相對電荷密度在溝道長度方向上為一常數(shù)。相應(yīng)的I_D-V_DS特性曲線如圖8-1所示。

• 當(dāng)VGS>VT且VDS增大時(shí)，由于漏電壓增大，漏端附近的氧化層壓降減小，這意味著漏端附近的反型層電荷密度也將減小。漏端的溝道電導(dǎo)減小，從而I_D-V_DS特性曲線的斜率減小，如圖8-2所示。

• 當(dāng)VGS>VT且VDS增大到漏端的氧化層壓降等于VT時(shí)，漏極處的反型層電荷密度為零，此時(shí)漏極處的電導(dǎo)為零，這意味著I_D-V_DS的特性曲線的斜率為零,稱為預(yù)夾斷，如圖8-3所示。

• 當(dāng)VGS>VT且VDS>VDS(sat)時(shí)，溝道中反型電荷為零的點(diǎn)移向源端。如果U_DS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長，如圖所示，而且UDS的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對漏極電流的阻力，漏電流ID為一常數(shù)，這種情形在I_D-V_DS對應(yīng)于飽和區(qū)(恒流區(qū))，如圖8-4所示。

MOSFET的特性曲線

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。I_D較大時(shí)，I_D與U_GS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。圖中隨著V_GS增大，I_D的斜率增大。原因是由于VGS增大，形成的反層型越厚，導(dǎo)通溝道電阻越小，I_D的增長速度越快。MOSFET有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、飽和區(qū)和非飽和區(qū)，對應(yīng)的輸出特性曲線如圖10所示。若電力 MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。

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