MOSFET的基本工作原理和特性

MOS柵結(jié)構(gòu)是MOSFET的重要組成部分，一個典型的N溝道增強型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中柵極、源極和漏極位于同一個平面內(nèi)，半導(dǎo)體的另一個平面可以稱為體端，所以在一些書籍和資料中，也將MOSFET稱為四端器件，實際上那個體端一般跟源極相連接，所以在此還是將MOSFET看成三端器件。N溝道增強型MOSFET的圖形符號如圖2a所示，跟結(jié)型場效應(yīng)晶體管一樣，存在3種類型的MOSFET，它們的圖形符號如圖2b、c和d所示。在實際應(yīng)用中，一般不特指時的MOSFET都是增強型MOSFET，即在柵極不控制時，漏極-源極之間可以承受正偏置電壓。

在圖1中，點劃線框內(nèi)就是典型的MOS結(jié)構(gòu)，或者稱為MOS柵結(jié)構(gòu)。在金屬和P型半導(dǎo)體之間的黑色部分就是氧化物絕緣層。需要補充說明的是，在早期的MOS柵結(jié)構(gòu)中，金屬側(cè)只能使用金屬材料，而在現(xiàn)代的MOS柵結(jié)構(gòu)中，金屬幾乎完全被重?fù)诫s的多晶硅或者金屬-多晶硅合金所代替，這些材料在生產(chǎn)方便性和可靠性上都更具有優(yōu)勢。不妨礙對MOSFET結(jié)構(gòu)和基本工作原理的理解，在此仍認(rèn)為其是金屬材料。和結(jié)型場效應(yīng)晶體管一樣，在MOSFET中載流子也是從源極經(jīng)過溝道流向漏極，所以與源極和漏極相連接的都是重?fù)诫s的N+區(qū)，以便更好地提供載流子。仔細(xì)觀察，在MOSFET中，由于源極和體端相連接，從源極到漏極，即從體端到漏極還存在PN+結(jié)，即一個雙極型二極管，顯然它對 MOSFET的反向阻斷和導(dǎo)通特性有明顯的影響。

為分析和表述方便，定義柵極到源極(就是柵極到體端)的電壓為UGS，漏極到源極的電壓為UDS，流經(jīng)MOSFET的電流，即流入漏極的電流為ID。

MOSFET的基本工作原理和特性主要體現(xiàn)在MOS結(jié)構(gòu)的工作原理以及MOSFET中溝道的特性。此時要分兩大類情況來分析MOSFET的基本工作原理，一類是MOSFET的漏-源極處于正偏置狀態(tài)，另一類是漏-源極處于反偏置狀態(tài)。

當(dāng)MOSFET的漏-源極處于正偏置狀態(tài)，即UDS>0時，體端到漏極的二極管處于反偏置狀態(tài)，PN+結(jié)的空間電荷區(qū)主要是在P區(qū)內(nèi)展寬，從漏極到源極存在一個很小的漏電流。此時當(dāng)柵極電壓即UGS逐漸增高時，MOS柵結(jié)構(gòu)就會經(jīng)歷耗盡、弱反型和強反型三個階段，分別如圖3b、c和d所示。

在UGS剛大于零時，在氧化物絕緣層的下方P型半導(dǎo)體中出現(xiàn)了耗盡層，即空穴被門極電壓產(chǎn)生的電場推開，留下受主離子;而當(dāng)UGS增加到一定程度時，在氧化物絕緣層的下方的P型半導(dǎo)體中出現(xiàn)反型層，此時還處于弱反型階段，即在反型層中有NA>>np>pp，載流子的濃度遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體中受主原子的濃度，此時柵極電壓并沒有改變整個器件的導(dǎo)電特性。當(dāng)UGS大于開啟電壓UT時，氧化物絕緣層的下方P型半導(dǎo)體中出現(xiàn)強反型層，在反型中有np>NA，此時的反型層中電子占優(yōu)勢，其導(dǎo)電行為主要是電子的漂移運動，形成從源極到漏極的電子流，即漏極到源極的電流ID，形成的強反型層稱作溝道，根據(jù)其導(dǎo)電載流子性質(zhì)，叫做N溝道(雖然在P型半導(dǎo)體中)。顯然溝道的寬度和導(dǎo)電能力跟柵極電壓有關(guān)，柵極電壓越高，溝道的寬度和導(dǎo)電能力越強?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)柵極小于開啟電壓UT時，沒有溝道形成。所以在MOSFET柵極零偏置時，MOSFET被關(guān)斷，其間不會出現(xiàn)雙極型器件因為儲存載流子的抽出和復(fù)合而出現(xiàn)的開關(guān)延遲，其關(guān)斷時間僅由MOS柵結(jié)構(gòu)的電容放電時間決定，所以MOSFET相對于雙極型器件來說，也是高開關(guān)頻率器件。

以上就是MOSFET的漏-源極處于正偏置狀態(tài)基本工作原理，還有必要關(guān)注MOSFET在通態(tài)時的特性，會出現(xiàn)與結(jié)型場效應(yīng)晶體管一樣的線性、過渡、飽和等區(qū)域。即MOS柵結(jié)構(gòu)形成的溝道不但受柵極電壓的影響，還受到漏-源之間電壓的影響，由于溝道采用摻雜濃度不高的材料，其電阻率較高，當(dāng)有電流在漏-源間流過時，其中必然出現(xiàn)壓降。此時MOS柵結(jié)結(jié)構(gòu)的偏置電壓就不再均勻分布，MOS結(jié)構(gòu)的空間電荷區(qū)的寬度從漏到源不再相等。

當(dāng)流經(jīng)電流較小時，電流在溝道中產(chǎn)生的電位梯度很小，溝道的外形幾乎不發(fā)生改變，認(rèn)為溝道是一個固定阻值的電阻區(qū)，則MOSFET的端電壓和流經(jīng)的電流之間呈線性關(guān)系。隨著器件流經(jīng)的電流增加，器件壓降增加，溝道形狀開始發(fā)生改變，且可看成是隨壓降變化的電阻，端電壓和流經(jīng)的電流關(guān)系就偏離線性關(guān)系。隨著流經(jīng)的電流和壓降的進(jìn)一步增加，出現(xiàn)圖4所示的溝道一段被夾斷的情況，此時壓降增加而流經(jīng)的電流不再增加，從而發(fā)生飽和，電子在強電場作用下通過夾斷的溝道進(jìn)入漏極來維持飽和電流。

圖5給出一個實際MOSFET在室溫下的正偏置時輸出特性曲線，即在不同的柵極電壓情況下，MOSFET端電壓與流經(jīng)的電流的關(guān)系曲線族。圖中是以實驗點的形式給出，將線性區(qū)和過渡區(qū)合稱為非飽和區(qū)。隨著柵極電壓的增加，非飽和區(qū)和飽和區(qū)的分界電壓有所增加。由此可以看出，MOSFET的導(dǎo)電行為同時受到柵極電壓和端電壓的影響。

MOSFET的工作原理中，還有一類情況就是MOSFET的漏-源極處于反偏置狀態(tài)，即UDS<0時的工作原理。此時體端到漏極的二極管處于正偏置狀態(tài)，所以無論MOSFET的柵極電壓如何變化，MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)。只是導(dǎo)通的行為在不同情況下有所不同。存在兩種情況：1) 柵極電壓UGS

2) 柵極電壓UGS>UT時，MOS柵結(jié)構(gòu)中存在導(dǎo)電溝道，電子流可以從漏極流向源極，即電流可以從源極流向漏極，這部分的電流-電壓特性關(guān)系可以看成圖5所示的輸出特性關(guān)于原點的對稱。但是只要MOSFET的壓降增加到一定程度，并聯(lián)的PN結(jié)正偏置向P區(qū)注入電子，結(jié)果就會使MOSFET的反向?qū)ㄌ匦宰兂啥O管的導(dǎo)通特性。從電路的角度看，MOSFET反偏置狀態(tài)可以看成MOS柵結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管的并聯(lián)，兩部分的電流-電壓曲線不同，MOSFET總的反向?qū)ㄌ匦匀Q于兩者并聯(lián)的均流關(guān)系。

這兩種情況的電流示意圖如圖6所示，圖5所示的MOSFET的導(dǎo)通特性在絕對值坐標(biāo)下的曲線關(guān)系如圖7所示。

可以看出，在二極管沒有導(dǎo)通的區(qū)域內(nèi)，MOSFET在相同柵極電壓下，正反向的電流-電壓關(guān)系基本一致;柵極沒有觸發(fā)時，MOSFET的反向?qū)ㄊ请p極型二極管特性;柵極觸發(fā)時，MOSFET的反向?qū)ㄊ菃螛O型的溝道特性與雙極型二極管特性的分段組合。當(dāng)然這種分段組合在低壓大電流的功率MOSFET中體現(xiàn)得比鉸明顯，此時溝道區(qū)電阻阻值相對較低，在相當(dāng)大小的電流范圍內(nèi)形成的壓降比PN結(jié)的壓降要小;對于一些高承壓的MOSFET，溝道電阻阻值比較大，僅在非常窄的電流范圍內(nèi)形成的壓降比PN結(jié)的壓降小，幾乎看不出分段組合。

審核編輯：湯梓紅