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                      MOSFET管

                      MOSFET全称为Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,译为金属氧化物半导体场效应管。是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为N型与P型的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET。
                      SOT-23封装MOSFET
                      图 MOSFET
                       
                      MOSFET的發展前景
                      近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升,除了傳統上應用于諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上,也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實現。
                      例如在数字电路中,如微处理器运算效能不断提升,带给深入研发新一代MOSFET更多的动力,这也使得MOSFET本身的操作速度越来越快,几乎成为各种半导体截止状态,这使得从电源功率损耗,只有在逻辑门主动元件中最快的一种。MOSFET在数位讯号处理上最主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明,这种结构最大的好处是理论上不会有静态的(logic gate)的切换动作时才有电流通过。CMOS逻辑门最基本的成员是CMOS反相器(inverter),而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样,同一时间内必定只有一种晶体管(NMOS或是PMOS)处在导通的状态下,另一种必定是端到接地端不会有直接导通的路径,大量节省了电流或功率的消耗,也降低了积体电路的发热量。
                      在模拟电路中,为了减少在印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)上使用的积体电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积,很多原本独立的类比芯片与数位芯片被整合至同一个芯片内。MOSFET原本在数位积体电路上就有很大的竞争优势,在类比积体电路上也大量采用MOSFET之后,把这两种不同功能的电路整合起来的困难度也显著的下降。另外像是某些混合讯号电路(Mixed-signal circuits),如类比/数位转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),也得以利用MOSFET技术设计出效能更好的产品。
                       
                      MOSFET的結構
                      MOSFET大體分爲兩大類,四種類型。
                      1 增强型MOSFET
                      N溝道增強型MOSFET
                      P溝道增強型MOSFET
                       
                      2 耗尽型MOSFET
                      N溝道耗盡型MOSFET
                      P溝道耗盡型MOSFET
                       
                      注:這裏對增強型N溝道MOSFET進行說明,其他的類型在這裏不多做贅述。
                      N溝道增強型MOSFET主要由这么几部分构成。金属层,氧化层(SiO2),N型半導體,P型半導體。具體的結構如下圖所示。
                      增强型N沟道MOSFET结构剖面
                      图 增强型N沟道MOSFET结构剖面
                       
                      MOSFET將P型半導體作爲基底。在P型半導體上加入了兩個N型半導體。N型半導體之間不相連。再在基體表面覆蓋一層氧化層(SIO2)。然後在氧化層上刻蝕出兩個通道用導體分別聯通氧化層之下的N型半導體,形成源極與漏極。最後將兩個N型半導體之間的上方區域,在氧化層之上覆蓋一層金屬層,形成柵極。其等效的電路符號如下圖。
                       
                      金属氧化物半导体场效应管电路符号
                      图 电路符号
                       
                      MOSFET的工作原理
                      要理解MOSFET管的原理,必須要對P型與N型半導體之間的載流子流動有所了解。半導體導通時,是由于外加正向電壓作用,加劇了載流子的擴散,使多子可以通過空間電荷區達到對面。在加反向電壓時,多子的擴散受到限制,多子受到吸引向電源端聚集,使空間電荷區變厚。這裏以仍以增強型N溝道MOSFET爲例。
                      當柵極無電壓,只在漏極與源極之間加電壓時,管子並沒導通,因爲兩個N型半導體間並無電子流動。如下圖所示。
                      MOSFET管工作原理
                      图 工作原理
                       
                      此時我們向柵極施加正向電壓。爲了分析效果,我們暫設漏極與源極間無電壓。如下圖所示。
                       
                      MOSFET管工作原理
                      图 工作原理
                       
                      當柵極被施加了正向電壓後,N型半導體中的電子(多數載流子)受到吸引而向柵極上的金屬層上聚集,但由于氧化層的阻隔,電子並沒有能到達金屬層,就在氧化層上逐漸形成了電子層。當柵極電壓VGS逐漸增大,被吸引出的電子越來越多,最後將兩個N型半導體連接起來,形成溝道。在此基礎上,對漏極與源極間施加電壓,那麽就可以實現導通了。如下圖所示。
                      MOSFET管工作原理
                      图 工作原理
                       
                      漏極與源極間施加電壓VDS後,兩個N型半導體之間的電子層受到外加電場的作用,使其産生的定向流動,電子的流動方向從源極向漏極流動,所以産生了一個從漏極向源極的電流。使漏極與源極間導通。而通過控制調節VDS的大小可以實現對溝道的控制。因爲VGD=VGS-VDS,當VDS很小的時候,VGD≈VGS。此時VDS的大小與電流ID成線性關系。當VDS持續變大,VGD則變小,導致溝道變窄,阻止增大,使電流ID的增加幅度變小。當VDS繼續增加,使VGD等于柵極的開啓電壓VG(th)時,在近漏端溝道出現了預夾斷點。若VDS繼續上升則夾斷點會往源極方向移動,出現夾斷。如下圖所示。
                      MOSFET管工作原理图
                      图 工作原理
                       

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