详细了解 MOSFET 晶体管

MOSFET 开关晶体管

MOS 管是 “金属（Metal）氧化物（Oxide）半导体（Semi）” 场效应晶体管，或者称是 “金属（Metal）绝缘体（Insulator）半导体（Semi）” 场效应晶体管。英文缩写后为 MOS，MOS 和三极管（BJT）有些类似之处，比如也是三个极，不过名字不同，为 Gate 栅极（G 极），Source 源极（S 极），Drain 漏极（D极）。

请添加图片描述金属-氧化物-半导体-场效应晶体管，英文全称为 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，这就得到第二种简写 MOSFET。所以以后看到 MOS 或 MOSFET 指的都是同一类东西。

MOS 管的应用非常广泛，大至功率变换器，小至内存，CPU 内部细小的数字电路元件，无一不用到 MOS。

1. MOS 分类规则

MOS 管根据制作工艺不同分为 P 型管（P 型沟道）和 N 型管（N 型沟道）。按沟道创建方式可分为耗尽型（当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道）和增强型（当栅极电压不为零时漏源极之间就存在导电沟道）。

请添加图片描述对于 N 沟道 MOS，栅极电压大于零时才存在导电沟道，对于 P 沟道 MOS，栅极电压小于零时才存在导电沟道。

在耗尽型 MOS 中存在预先构建的沟道，因此栅源极不施加电压就已经存在导电沟道，施加电压导电沟道反而逐渐消失。相反，在增强型 MOS 中，不存在任何预先构建的沟道，需要施加电压后才会逐渐出现导电沟道。

请添加图片描述总结

所以所谓场效应指的就是通过给栅极 G 和源极 S 施加电压，加压后产生电场效应，该效应可以在半导体内部开启或关闭导电沟道的晶体管叫场效应晶体管，导电沟道开启后漏极 D 和源极 S 之间就可以通过一定大小的电流。

2. 理解 MOS 符号

按照 MOS 的分类规则可知，共有四种不同的符号对应工艺和沟道的分类组合，当然不同用途的 MOS 管在符号上可能有些差别（比如箭头和 S 极是连接在一起的，当然实际 MOS 确实是这样做的，衬底与源极连接接在一起），但都大同小异的，可以使用相同的方法理解。

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(1) 对于 MOS 器件符号，区分 P 沟道与 N 沟道就是靠箭头方向，箭头方向遵循一个准则，P 指向 N，如果沟道是 P 型，则由沟道指向外，如果沟道是 N 型，则由外指向沟道。

(2) 区分增强型和耗尽型靠区分符号竖线是虚线还是实线，虚线可以理解为我没有很多东西需要购买（增加），那虚线就代表增强型。实线可以理解为东西很多需要卖出去（消耗），那实线就代表耗尽型。

3. N 沟道增强型

N 沟道增强型 MOS，以一块低掺杂的 P 型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的 N+ 区，并引入两个电极分别为源极 S(Source) 和漏极 D(Drain)，半导体上制作一层 SiO2 绝缘层，再在 SiO2 上面制作一层金属铝（Al），引出电极，作为栅极 G(Gate)，如下图。

请添加图片描述通常将衬底与源极接在一起使用，这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以 MOS 又被称为绝缘栅型场效应管。

工作原理

(1) 当栅极 G 和源极 S 之间不加任何电压（VGS），即 VGS=0 时，由于漏极和源极两个 N+ 型区之间隔有 P 型衬底，相当于两个背靠背连接的 PN 结，它们之间的电阻很大，所以在漏、源极之间加任何极性的电压，都不会产生漏极电流。

(2) 在栅极 G 和源极 S 之间加正电压（VGS），即 VGS>0 时，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极 G 指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P 衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层 “耗尽层”（上图中的虚线）。

(3) 如果进一步提高 VGS 电压，使 VGS 达到某一电压时，P 衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的 N 型层，称为 “反型层”（即导电沟道，下图中的虚线内白色沟道区域）。

反型层将源极 S 和漏极 D 两个 N+ 型区相连通，构成了漏、源极之间的 N 型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的栅-源电压（简称 VGS）称为阈值电压或开启电压，简称 VGS(th)。显然，只有 VGS>VGS(th) 时才能建立沟道，而且 VGS 越大，沟道越宽，沟道的导通电阻越小，导电能力越强，术语增强型也由此而来。

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(4) 在 VGS>VGS(th) 的条件下，如果在漏极 D 和源极 S 之间加上正电压 VDS，导电沟道就会有电流流通。漏极 D 连接到电源正极，根据电子带负电的特性，既然 D 极为电源是正极，在电场力作用下，反型层（即导电沟道）中的负电子就会被吸引到 D 极，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，越靠近 S 极，电场能量越小，吸引力越弱，这就导致了反型层（导电沟道）在 D 端比较窄，而在 S 端比较宽的情况，这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。

(5) 如果 VDS 继续增大，电场越强，吸引电子能力越强，当 VDS 增大到某一临界值，反型层靠近 D 端的自由电子最终被全部吸引到 D 区，这样在靠近 D 端的地方就出现了载流子浓度极低的情况，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，也就是夹断区出现了。

(6) 继续增大 VDS 即 VDS>VGS-VGS(th)，夹断点向源极方向移动，尽管夹断点在移动，但沟道区（源极 S 到夹断点）的电压降保持不变，仍等于 VGS-VGS(th)。因此，VDS 多余部分电压 VDS-[VGS-VGS(th)] 全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。

4. 其余类型

目前 N 沟道增强型的 MOS 使用范围最广，P 沟道增强型 MOS 管可以很方便地用作高端驱动，所以一般被当作开关管使用，而 P 沟道耗尽型 MOS 几乎不使用。

所以重点记忆 N 沟道增强型 MOS 相关特性，其余三种类型可以仅作了解即可。

4.1 P 沟道增强型

P 沟道增强型 MOS 管与 N 沟道 MOS 相反，以一块低掺杂的 N 型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的 P+ 区，工作时反型层将源极 S 和漏极 D 两个 P+ 型区相连通，构成了漏、源极之间的 P 型导电沟道，实际一般将衬底与源极接在一起使用。

漏极对源极的电压 VDS 应为负值，以保证两个 P 区与衬底之间的 PN 结均为反偏，同时为了在衬底顶表面附近形成导电沟道，栅极对源极的电压也应为负。

(1) 在栅源之间加负电压（-VGS），当 VDS=0 时，没有电流流过 D，S 之间，但是金属栅极被补充电而聚集负电荷，N 型半导体中的多子电子被负电荷排斥向体内运动，表面留下带正电的离子，形成 “耗尽层”。

(2) 随着栅-源电压（-VGS）负电压的增加，耗尽层加宽，当 VDS 增大到一定值时，衬底中的空穴被栅极中的负电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成一个 P 型薄层，称为 “反型层”（即导电沟道）。

(3) 这个反型层就构成漏源之间的导电沟道，这时的 VGS 称为开启电压 VGS(th)，达到 VGS(th) 后继续增大 VGS，衬底表面感应的空穴越多，反型层加宽，而耗尽层的宽度却不再变化，这样我们可以用 VGS 的大小控制导电沟道的宽度。

(4) 当 VDS≠0 时，导电沟道形成以后，D，S 间加负向电压时（相当于漏极 D 连接到电源负极），那么在源极与漏极之间将有漏极电流流通，而且漏极电流随 VDS 而增。

因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由源区到漏区逐渐减小，越靠近 D 极，电场能量越小，吸引力越弱，这就导致了反型层（导电沟道）在 D 端比较宽，而在 S 端比较窄的情况，这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。

(5) 当 VDS 增大到某一临界值，沟道在漏极附近出现预夹断。

4.2 N 沟道耗尽型

N 沟道耗尽型 MOS 管的结构与增强型 MOS 管结构类似，区别在于 N 沟道耗尽型MOS 管在栅极电压 VGS=0 时，沟道已经存在。

(1) 当 VGS=0 时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道，所以只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当接通正电压（VGS>0）时，将使漏极电流进一步增加，当接通负电压（VGS<0）时，随着 VGS 的减小，漏极电流逐渐减小，直至为 0。对应漏极电流为 0 的 VGS 称为夹断电压或阈值电压，用符号 VGS(off) 表示。

(2) 由于耗尽型 MOS 在 VGS=0 时，漏源之间的沟道已经存在，所以只要在漏极 D 和源极 S 之间加上电压 VDS，就有漏极电流。如果增加正向栅源电压 VGS，栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子，沟道变宽，沟道的电导增大。

(3) 如果在栅极加负栅源电压（VGS<0），就会在相对应的衬底表面感应出正电荷，这些正电荷抵消 N 沟道中的电子，从而在衬底表面产生一个耗尽层，使沟道变窄，沟道电导减小。当负栅源电压增大到某一电压 VGS(off) 时，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断（耗尽），这时即使 VDS 仍存在，也不会产生漏极电流，即漏极电流为 0。