场效应管,又称场效应晶体管(FET),是一种利用控制输入回路的电压(实际上是电场)来控制输出回路电流的一种半导体器件。场效应管一般分为结型场效应管(JFET)绝缘栅型场效应管。我们首先介绍第二类。

常见的FET
常见的MOSFET

绝缘栅型场效应管的特点是各电极之间是绝缘的,其输入电阻由绝缘材料(SiO2)决定。它的直流电阻在 1010Ω以上。以 SiO2 为绝缘层的绝缘栅型场效应管是一种金属-氧化物-半导体场效应管,简称MOS管或MOSFET。 (MOS 是 Metal金属、 Oxide氧化物、Semiconductor半导体三个英文字的缩写)。分N沟道P沟道两类,每一类又有耗尽型增强型两种,共四种 MOS 管。 N 沟道的 MOS 管简称与 NMOS 管, P 沟道的 MOS 管简称为 PMOS 管。 

MOSFET在电子设备内部有着极为广泛的应用,比如CPU、GPU等。MOSFET是一种驱动型开关,它可以单独控制电流,而不需要改变电路的既有形式。其核心原理是利用电场的作用,使得一定区域或导电或断开。MOSFET和其他的晶体管一样由半导体材料构成,如果对半导体相关知识还不了解的可以回看之前有关二极管和三极管的内容,这里不再过多介绍。

1.N沟道增强型MOS管工作原理简单介绍与分析


(N沟道增强型MOS管结构图

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作漏极D和源极S。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏—源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极G。衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS管。如果我们在MOSFET上连接一个电源单元,我们会发现在MOSFET右侧(靠近电源正极一侧)的PN结上,电子被吸引靠近电源的正极,而空穴则会相应地远离N区。即:右侧耗尽区宽度因电源而增加,在这种情况下就没有电子能够通过MOSFET,即MOSFET无法工作。这时候我们需要使用一种技术来解决这一问题。

MOSFET无法工作

在介绍这种技术前,首先需要复习一下高中物理的知识——电容。电容可以看成是两个平行的金属板中间夹着绝缘介质,当在金属板间接通DC电源时,电源正极会吸引金属板上的电子,且这些电子会吸附在另一端的金属板上,进而产生电场。如果我们把MOSFET的P区作为其中一端的金属板,再连接电源,那么电子将会离开金属板,然后经过电源分散到P区的衬底中。由于电子的流动,金属板上的正电荷将会产生如图所示的电场。

电场线形成

之前说过,在P区仍有少数自由电子存在,而电荷作用产生的电场则会将这些电子吸附到顶部,在这个过程中,部分电子会与空穴结合,顶部区域充满了电子。在该部分下方的空穴也都被填满了,但是下方并没有自由电子存在,所以这里将会成为一个新的耗尽层。

耗尽层形成

从图上可以看出,两个耗尽层被中间新生成的耗尽层连在了一起,并形成了一个由自由电子所形成的导电沟道。这时候我们再按照开始的那样连接电源,电子就能在MOSFET的两端流动了。这便是一个MOSFET的开启状态。这时候我们就能把FET三个级的命名和电子的流动状态联系起来了:电子从源极(SOURCE)流入,经过栅极(GATE),再从漏极(DRAIN)流出。

如果栅极施加的电压较低,那么电场就会减弱,也不会有导电沟道的生成。因此,只要通过控制栅极电压,我们就能打开和关闭MOSFET。

N沟道增强型MOSFET工作原理

2.较为具体地分析N沟道增强型MOS管工作原理

首先介绍vGS(源-栅电压)对于iD(漏极电流)的控制作用。

  • vGS=0的情况下

由MOSFET基本结构图可以看出,增强型MOSFET的源极和漏极之间有两个背靠背的PN结。当vGS=0时,无论vDS(漏-栅电压)大小和极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,导电沟道无法形成,此时iD=0.

  • vGS>0的情况下

当vGS>0时,栅极和衬底之间的二氧化硅绝缘层中便会产生电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底。此电场能够排斥空穴而吸引电子。

  • 导电沟道的形成

当vGS数值较少,吸引电子的能力不强时,漏-源极之间仍无导电沟道出现。vGS增大时,电场吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子将会在栅极附近的P衬底表面形成一个N型薄层,且薄层将会与左右两个N+区相连通,即在漏-源极间形成N型导电沟道。vGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小(类比于导线粗细对电流的影响)。

  • 开启电压

开始形成导电沟道时的栅-源极电压称为开启电压,用vT表示。N沟道MOS管在vGS<vT时无法形成导电沟道,MOS管处于截止状态。只有当vGS大于等于vT时,导电沟道才会形成。此类只有在vGS大于等于vT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成后在漏-源极间加上正向电压vDS,就有漏极电流产生。

  • vDS对iD的影响

由于漏极电流沿沟道产生的压降会使沟道内部各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为vGD=vGS-vDS,因而沟道最薄。由等式可以看出,当vDS逐渐增大时,靠近漏极的沟道厚度将会越来越薄,当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=vT时,沟道将在漏极一端出现预夹断(载流子浓度极低)。再继续增大vDS,夹断点将会向源极方向移动,vDS的增加部分几乎全部落在夹断区内,iD几乎不随vDS增大而增加,MOS管进入饱和区。

(a图vGS>vT时因压降沟道厚度不均匀分布,b图沟道在D端发生预夹断,c图夹断点移动)

3.N沟道增强型MOS管工作区和特性曲线

上面这张图即MOS管输出特性曲线图。

  从图中可以看出MOS管的四个工作区域:截止区、恒流区、可变电阻区、击穿区。我们依次介绍。

  • 截止区

当满足vGS<vT时,MOS管进入截止区。截止区位于输出特性曲线最下方靠近横坐标的部分,表示MOS管不能导电(原因上面说过),处在截止状态。截止区也被称为夹断区,在该区内导电沟道全部夹断,iD=0,MOS管不工作。

  • 恒流区

当满足vGS大于等于vT时(导电沟道能够生成),且vDS大于等于vGS-vT(避开预夹断轨迹曲线),MOS管进入恒流区。恒流区处在输出特性曲线中间的位置,电流iD基本上不随vDS变化,其大小主要决定于vGS,所以叫做恒流区,又名饱和区。MOS管的恒流区相当于三极管的放大区。

  • 可变电阻区

当满足vGS>vT时,且满足vDS<vGS-vT,MOS管进入可变电阻区。又图像可得在该区域二者基本上呈线性关系,所以该区域内的MOS管可以看作是一个可变电阻,其阻值随vGS的变化而变化。

  • 击穿区

击穿区位于曲线最右侧。当vDS持续增大时,PN结因承受太大的反向电压而被击穿。实际应用中应避免此区域。

如上图,左侧为已经介绍过的MOS管输出特性曲线,右图为转移特性曲线(以 UDS为参变量,栅压 UGS对漏流 ID的控制关系曲线)。当 vGS≤vT时,ID=0, vGS>vT后, ID随 vGS增加而增大。 ID与 vGS之间的关系还可用下式近似表示(UGS(th) 即vT)