簡述MOSFET的基本原理（下）

FET

在介紹MOSFET之前，我們先來了解一下FET的工作原理。FET又叫做場效應(yīng)管，有N溝道和P溝道兩種（溝道就是其中載流子流過的通道），如下圖所示。

FET：Field-Effect Transistor管子被稱為場效應(yīng)管，從名字就可以知道是通過利用電場力的作用來改變了內(nèi)部耗盡層的寬度來實現(xiàn)對電流的控制。下面我們以以N溝道FET管子為例來說明整個工作的基本過程。其無外加電場的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

我們先來看FET管子的D和S短路情況下通過改變G和S極之間的電壓的情況。無外加電壓的情況如上圖所示，上面我們提到PN結(jié)在外加電場的作用下內(nèi)部的耗盡層寬度會發(fā)生變化，因此我們可以通過增加Ugs電壓來改變FET管子里面的耗盡層的寬度，隨著Ugs的增加，耗盡層的寬度越來越大，最終形成了閉合，使得N溝道消失，電阻無限大，此時的Ugs就被叫做夾斷電壓Ugsoff，如下圖所示：

上面的分析是在D和S之間短路的情況，此時我們來看看Ugs在0-UGSoff之間的某一個數(shù)值的情況下，漏極和源極之間電壓Ugs對FET管子的影響。當(dāng)D和S之間外加電壓的時候其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

此時D和S之間有加載外部電壓，因此由于外部電場的作用引起內(nèi)部的垂直方向上有載流子的運(yùn)動，因此有電流。但是由于電壓Uds從漏極向源極壓降，同時加上外部加載的Ugs引起了耗盡層的拓寬，綜合兩者的影響，在靠近D極的地方耗盡層寬，向源極往下耗盡層逐漸變窄。

溝道沒有被完全耗盡，因此D和S之間的電流仍然能夠通過，并且隨著Uds的增加電流的大小也增加，兩者呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系，實際上就是管子的電阻特性，對應(yīng)特性曲線里面的線性區(qū)域。

當(dāng)Uds進(jìn)一步增大，Ugd=Ugs-Uds，Ugd逐漸減小，也就是管子的上半部分的電壓作用逐漸減小，其方向與Ugs方向相反，因此上半部分的耗盡層逐漸被Uds和Ugs的共同作用影響而變寬，出現(xiàn)了頂部夾斷的情況，如下圖所示：

當(dāng)Uds繼續(xù)增加，耗盡層將向下逐漸變寬，使得整個夾斷區(qū)域變長。當(dāng)Ugd

將每一個情況與對應(yīng)的曲線圖對應(yīng)起來如下圖所示：

MOSFET

MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。名字一定是和它的材料、結(jié)構(gòu)強(qiáng)相關(guān)的。我們結(jié)合MOSFET的管子結(jié)構(gòu)圖來理解一下，如下圖所示：

電極采用了金屬，在金屬下面有一層氧化層，然后是摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域，將這樣的結(jié)構(gòu)用來構(gòu)成上面提到的FET，由此便構(gòu)成了MOSFET。MOSFET也有N溝道、P溝道的區(qū)別，根據(jù)Ugs為零時漏極電流是否為0還可以分為增強(qiáng)型（上面介紹FET的時候就類似一種增強(qiáng)型）和耗盡型。N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型四種。以N溝道增強(qiáng)型為例，如下圖所示：

MOSFET和上面提到的結(jié)型場效應(yīng)管的控制機(jī)理有所不同，但是核心的機(jī)理都是控制耗盡層來實現(xiàn)對電流的控制。當(dāng)Uds為0的時候，柵極因為有氧化絕緣層的緣故，因此柵極的電流為0。

但是柵極上面加載了正電壓，因此會聚集大量的正電荷，這些正電荷排斥P型半導(dǎo)體里面的空穴（正電荷之間的同性相斥），靠近氧化硅絕緣層，因此會在中間區(qū)域形成一個沒有載流子的區(qū)域，也就是之前提到的耗盡層。如下圖所示：

當(dāng)Ugs增大時，一方面耗盡層將會變寬，另一方面，由于加載了正電壓，P型區(qū)域的自由電子將會被吸引進(jìn)入到耗盡層與絕緣層之間的區(qū)域，形成一個N區(qū)，將兩極區(qū)域連接起來。

這個薄型區(qū)域就叫做反型區(qū)（與P型相反，顧名思義反型區(qū)）。連通起來的S和D之間有了N型溝道，自由電子可以實現(xiàn)電流的導(dǎo)通，反型層越大溝道的電阻越小，如下圖所示。

對于如何利用Uds控制電流的原理基本和前面提到的分析相類似，這里就不重復(fù)了。