MOSFET结构及其工作原理详解

MOSFET基本概述

MOSFET的分类

(资料图片)

MOSFET的种类：按导电沟道类型可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：耗尽型-当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；增强型-对于N(P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

MOS管结构原理图解

(以N沟道增强型为例)

N沟道增强型MOS管结构如图5所示。它以一块低掺杂的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)。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。当栅-源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

MOS管工作原理详解

(N沟道增强型为例)

当栅-源之间不加电压时即V_GS=0时，源漏之间是两只背向的PN结。不管V_DS极性如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电沟道。

当U_DS=0且U_GS>0时，由于SiO₂的存在，栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷．它们排斥P型衬底靠近 SiO₂一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如图6所示

当U_GS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，如图7所示。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压U_GS(th)/V_T。UGS电压越大，形成的反层型越厚，导电沟道电阻越小。

当VGS>VT且VDS较小时，基本MOS结构的示意图如图8-1所示。图中反型沟道层的厚度定性地表明了相对电荷密度，这时的相对电荷密度在沟道长度方向上为一常数。相应的I_D-V_DS特性曲线如图8-1所示。

当VGS>VT且VDS增大时，由于漏电压增大，漏端附近的氧化层压降减小，这意味着漏端附近的反型层电荷密度也将减小。漏端的沟道电导减小，从而I_D-V_DS特性曲线的斜率减小，如图8-2所示。

当VGS>VT且VDS增大到漏端的氧化层压降等于VT时，漏极处的反型层电荷密度为零，此时漏极处的电导为零，这意味着I_D-V_DS的特性曲线的斜率为零,称为预夹断，如图8-3所示。

当VGS>VT且VDS>VDS(sat)时，沟道中反型电荷为零的点移向源端。如果U_DS继续增大，夹断区随之延长，如图所示，而且UDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，漏电流ID为一常数，这种情形在I_D-V_DS对应于饱和区(恒流区)，如图8-4所示。

MOSFET的特性曲线