MOSFET工作原理，及其结构和主要参数详解

一、什么是MOSFET

       金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。

二、MOSFET的工作原理

       漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。功率MOSFET的基本特性静态特性：

       漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。

       MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力 MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力 MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。动态特性：

       其测试电路和开关过程波形如下图所示。

三、MOSFET的结构

       一个NMOS晶体管的立体截面图左图是一个N型 MOSFET（以下简称NMOS）的截面图。如前所述，MOSFET的是位于中央的MOS电容，而左右两侧则是它的源极与漏极。源极与漏极的特性必须同为N型（即NMOS）或是同为P型（即PMOS）。右图NMOS的源极与漏极上标示的“N+”代表著两个意义：⑴N代表掺杂（doped）在源极与漏极区域的杂质极性为N；⑵“+”代表这个区域为高掺杂浓度区域（heavily doped region），也就是此区的电子浓度远高于其他区域。在源极与漏极之间被一个极性相反的区域隔开，也就是所谓的基极（或称基体）区域。如果是NMOS，那么其基体区的掺杂就是P型。反之对PMOS而言，基体应该是N型，而源极与漏极则为P型（而且是重（读作zhong）掺杂的P+）。基体的掺杂浓度不需要如源极或漏极那么高，故在右图中没有“+”。

       对这个NMOS而言，真正用来作为通道、让载流子通过的只有MOS电容正下方半导体的表面区域。当一个正电压施加在栅极上，带负电的电子就会被吸引至表面，形成通道，让N型半导体的多数载流子—电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除，或是放上一个负电压，那么通道就无法形成，载流子也无法在源极与漏极之间流动。

       假设操作的对象换成PMOS，那么源极与漏极为P型、基体则是N型。在PMOS的栅极上施加负电压，则半导体上的空穴会被吸引到表面形成通道，半导体的多数载流子—空穴则可以从源极流向漏极。假设这个负电压被移除，或是加上正电压，那么通道无法形成，一样无法让载流子在源极和漏极间流动。

       特别要说明的是，源极在MOSFET里的意思是“提供多数载流子的来源”。对NMOS而言，多数载流子是电子；对PMOS而言，多数载流子是空穴。相对的，漏极就是接受多数载流子的端点。

四、MOSFET的主要参数

       场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：

       1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。

       2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。

       3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。

       4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。

       5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。

       6、PDSM—耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

       7、IDSM—漏源电流。是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM。

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