MOSFET基础

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场效应晶体管

场效应晶体管是一种电压控制型多子导电器件，又称单极型晶体管。可分为三大类：结型场效应晶体管（JFET）、肖特基势垒型场效应晶体管（MESFET）和绝缘栅场效应晶体管（IGFET）

• JFET利用PN结作为控制栅，当对栅施加反向电压时，PN结的势垒区向低掺杂区扩展，实现对导电沟道截面积的控制。

• MESFET则是利用金属-半导体结作为控制栅。

• IGFET是利用电场能控制半导体表面状态来控制沟道的导电能力。

IGFET的栅极可以金属材料制作，金属栅下面的绝缘层可以用SiO2制作，这种IGFET的结构为“金属-氧化物-半导体”场效应晶体管，简称MOSFET，虽然今天许多IGFET的栅极材料已不采用金属，而是使用多晶硅或者金属硅化物作为栅极，绝缘层也不一定是SiO2，但仍称为MOSFET。

场效应晶体管的优点（与BJT相比）

• 输入阻抗高
• 温度稳定性好
• 开关速度快（无少子存储效应）
• 功耗低

MOSFET的结构

上图为N沟道MOSFET。在P衬底上制作两个N+区，一个称为源区，一个称为漏区，源漏之间是沟道。在沟道区的表面，有热氧化工艺生长的氧化层作为介质，称为绝缘栅。在源区、漏区和绝缘栅上蒸发一层Al作为引出电极，分别称为源极、漏极、栅极，另外从MOSFET的衬底上还可以引出衬底电极。

MOSFET的工作原理

以N沟道MOSFET为例，在栅极上没有外加电压时，源漏之间是两个背靠背的PN结，此时外加电压Vds，除了微弱的PN结反向电流外，几乎没有电流但当在栅极施加适当的Vgs后，当Vgs增大到一定程度时，沟道表面会存在大量的可动电子，在此时，外加电压Vds，就能产生漏极电流。

漏极电流随栅源电压的变化曲线称为MOSFET的转移特性曲线，反映了Vgs对Id的控制能力

MOSFET的类型

根据沟道类型和阈值电压正负，MOSFET可分为四种类型，增强型和常关型等价，耗尽型和常开型等价。例如对于NMOS来说，Vgs越正越有利于开，在0V时就开（Vt<0）就意味着常开。

四种情况的具体图

MOSFET的输出特性

输出特性指的是Vgs>Vt且恒定时，漏极电流Id随漏源电压Vds的变化规律。

• 当Vds较小时，栅极和沟道之间的电势差在沟道内近似相等，沟道内自由电子浓度也近似相等，相当于一个固定电阻，这一区域称为线性区。。
• 当Vds增大时，漏极电流Id相应会增大，但由于漏源电势差的存在，越向漏极靠近，栅极和沟道的电势差越小，感应出的沟道内自由电子数量也会变小，从而使沟道电阻有一定程度的增大，使得漏极电流Id增长变缓，这一区域称为过渡区。
• 当Vds更大时（超过饱和漏源电压Vdsat），沟道在夹断点夹断，沟道与漏区之间隔着耗尽层，沟道内的自由电子在漏源电压的趋势下运动到夹断点时，会被耗尽层的强电场拉入（类似与PN结的反向特性），扫入漏区。由于电子在耗尽层的漂移速度达到了饱和速度，不再随电场增大而增大，这一区域称为饱和区。
• 当Vds增大到漏源击穿电压BVds时，由于漏PN结雪崩击穿或者源漏穿通效应，会导致Id迅速上升。