MOSFET的工作原理?

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 電子器件。它可以充當(dāng)壓控電流源，并主要用作開關(guān)或用于放大電信號(hào)。MOSFET的控制是通過向柵極施加特定的電壓來進(jìn)行的。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電流通過在 體區(qū)（稱為bulk或body）中形成的溝道，從MOSFET的漏極流向源極。大多數(shù)情況下，MOSFET的 體區(qū)與源極連接，這也是為什么MOSFET通常被稱為3引腳器件的原因。

圖1: MOSFET

P溝道MOSFET與N溝道MOSFET

MOSFET是一種半導(dǎo)體器件，主要采用P型或N型硅制造。這兩種硅類型之間的區(qū)別在于摻雜離子中存儲(chǔ)的電荷。摻雜離子為帶電粒子，注入硅中以產(chǎn)生電荷不穩(wěn)定性，使元件可用于 導(dǎo)電用途。如果硅區(qū)域中摻雜了具有五價(jià)電子（元素周期表中的第V族）的離子，那么就會(huì)有一個(gè)額外的電子被釋放到半導(dǎo)體中，因此電荷總體為負(fù)（N 型）。它們貢獻(xiàn)了一個(gè)電子，因此硅中的這些雜質(zhì)被稱為施體雜質(zhì)。另一方面，在價(jià)帶中具有三個(gè)電子的元素將缺少一個(gè)電子，這相當(dāng)于貢獻(xiàn)了一個(gè)空穴，意味著總電荷為正（P型）。這些雜質(zhì)被稱為受體雜質(zhì)。圖2顯示了P型和N型半導(dǎo)體摻雜物的差異，以及它們對(duì)硅結(jié)構(gòu)的影響。

圖2: 摻雜物-施體或受體雜質(zhì)

最簡(jiǎn)單的 MOSFET 結(jié)構(gòu)由一個(gè)襯底（可以是P型或者N型）和兩個(gè)與 體區(qū)極性相反的硅區(qū)域組成，它們構(gòu)成了漏極和源極（見圖3）。MOSFET可以構(gòu)建為具有P型襯底和N型漏極與源極區(qū)域，這意味著，要使電流從漏極流向源極，溝道也必須為N型。這種結(jié)構(gòu)被稱為N溝道MOSFET，或NMOS晶體管。反之，如果襯底為N型，則溝道為P型，稱為P溝道MOSFET，或PMOS晶體管。

圖3: MOSFET結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型MOSFET

MOSFET的名稱來源于控制它們的結(jié)構(gòu)。其柵極引腳連接到導(dǎo)電電極，而導(dǎo)電電極通過二氧化硅層或另一種絕緣材料與襯底隔開。因此，當(dāng)向柵極施加電壓時(shí)，金屬柵極會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，并通過氧化層傳遞到硅襯底（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）。電場(chǎng)會(huì)對(duì)襯底半導(dǎo)體中的自由電荷載流子（例如空穴或電子）產(chǎn)生影響，并將它們拉近至柵極以形成溝道，或?qū)⑺鼈兺崎_以破壞溝道。

當(dāng)電場(chǎng)施加到半導(dǎo)體上時(shí)，它會(huì)作用于器件的自由電荷載流子。均勻分布在整個(gè)半導(dǎo)體中的自由電子會(huì)被吸引到電場(chǎng)的入口點(diǎn)（對(duì)具有正柵極電壓的MOSFET而言，該入口點(diǎn)為柵極）。而空穴將被拖向與電子相反的電場(chǎng)方向（見圖 4）， 這稱為載流子漂移，邏輯上它會(huì)改變半導(dǎo)體內(nèi)的電荷濃度分布。

圖4: 半導(dǎo)體中的載流子漂移

MOSFET的主要目的是控制漏極與源極之間的溝道形成，它通過將正確的載流子集中在最靠近柵極的區(qū)域來形成或者破壞溝道。因此，MOSFET又可以分為兩個(gè)基本組別：耗盡型MOSFET和增強(qiáng)型MOSFET。

耗盡型MOSFET具有一個(gè)預(yù)生成的溝道（見圖 5）。當(dāng)電壓施加到柵極時(shí)，電場(chǎng)將溝道中的載流子推出并耗盡。因此，耗盡型 MOSFET 可以等同于常閉合開關(guān)。

而增強(qiáng)型MOSFET中的溝道僅在施加?xùn)艠O電壓時(shí)才形成，而且會(huì)吸引電荷并增強(qiáng)溝道區(qū)。這種MOSFET可視為常開路開關(guān)，在電子應(yīng)用中最為常見。因?yàn)槿绻麛嚯姡_關(guān)關(guān)閉，電流將停止在電路中流動(dòng)，從而避免了不受控的操作，并提高了電路安全性。本文以下的內(nèi)容將僅涉及增強(qiáng)型N溝道MOSFET。

圖5: 耗盡型MOSFET

圖6: 增強(qiáng)型MOSFET

MOSFET的工作區(qū)

基于以上解釋，可以明顯看出，MOSFET工作中最重要的一個(gè)因素是施加到柵極上的電壓。事實(shí)上，MOSFET 的工作是由 MOSFET柵極和源極之間的電壓（VGS）定義的。圖7顯示了VGS 如何影響流過MOSFET的電流。在增強(qiáng)型N溝道 MOSFET中，當(dāng)柵極和源極之間沒有施加電壓時(shí)，溝道就不存在。這個(gè)工作區(qū)被稱為截止區(qū)；當(dāng)晶體管處于此工作區(qū)時(shí)，沒有電流從漏極流向源極，這意味著MOSFET的行為就如同一個(gè)開路開關(guān)。

隨著柵極電壓的增加，溝道開始形成，但直到達(dá)到某個(gè)電壓水平（稱為閾值電壓），漏極和源極之間才會(huì)導(dǎo)通。一旦達(dá)到閾值電壓，電流就開始流過MOSFET。該區(qū)域被稱為飽和區(qū)，此時(shí)MOSFET相當(dāng)于一個(gè)壓控電流源。隨著柵極電壓增加，流過開關(guān)的電流也會(huì)增加。飽和區(qū)主要用于信號(hào)放大，因?yàn)闁艠O中微小的電壓變化都會(huì)導(dǎo)致輸出電流的較大變化（見圖 7）。最后輸出的電流可以用來改變電阻器兩端的電壓，這也是共源放大器的基本工作原理。

圖7: 漏電流和柵極電壓

隨著柵極電壓的不斷增加，溝道也會(huì)增強(qiáng)。在飽和區(qū)時(shí)，溝道還沒有完全連接漏源區(qū)，因此漏極和源極之間的電壓對(duì)操作沒有太大的影響。然而，一旦溝道增強(qiáng)到足以連接漏極和源極（此時(shí)的電壓稱為夾斷電壓，它是飽和區(qū)的上限），MOSFET溝道就完全增強(qiáng)，晶體管表現(xiàn)為完全閉合的開關(guān)。

從此時(shí)開始，由于漏極與源極之間存在電壓損耗，MOSFET可以被視為一個(gè)電阻（RDS(ON)）。這個(gè)新的工作區(qū)被稱為歐姆區(qū)或線性區(qū)，在此區(qū)域，MOSFET上的電流增加，并與施加在MOSFET漏極和源極之間的電壓成線性比例，當(dāng)然，它仍然受到柵源電壓的限制（見圖 8）。

圖8: 漏電流和漏源電壓

通過圖8可以深入了解不同工作區(qū)對(duì)不同應(yīng)用的用處。如前所述，飽和區(qū)最適于放大信號(hào)，因?yàn)樵谙嗤腣DS條件下，柵極電壓的微小變化都會(huì)導(dǎo)致較大的電流變化。不過，由于MOSFET 的功耗由電流和MOSFET兩端電壓 (VDS) 的乘積定義，因此，飽和區(qū)在功效方面表現(xiàn)也是最差的，因?yàn)樗哂忻黠@的電流和漏源電壓。

當(dāng) MOSFET 用于開關(guān)應(yīng)用時(shí)，則必須確保MOSEFT僅作為全開開關(guān)或全閉開關(guān)工作，以減少功耗。換句話說，它必須僅工作于截止區(qū)或線性區(qū)，并盡可能避免進(jìn)入飽和區(qū)。

功率MOSFET中的寄生元件

對(duì)任何電子設(shè)備而言，了解它所包含的寄生元件都非常重要，寄生元件是在器件結(jié)構(gòu)中無意產(chǎn)生的組件。上文實(shí)際上已經(jīng)涵蓋了其中之一，即導(dǎo)通電阻，但MOSFET 結(jié)構(gòu)中還含有其他寄生組件（參見圖9和圖10）。

MOSFET中出現(xiàn)的其他無源元件主要包括晶體管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各種電容。寄生電容有很多，但主要需要考慮的是在柵極和漏極之間、以及在柵極和源極之間形成的電容。這些電容限制了器件能夠達(dá)到的最大開關(guān)頻率。

除了這些無源元件之外，源極、 體區(qū)和漂移區(qū)形成的N+-P-N- 結(jié)會(huì)形成雙極結(jié)型晶體管（BJT）。這種晶體管對(duì) MOSFET 的安全運(yùn)行至關(guān)重要。如果它意外導(dǎo)通，將導(dǎo)致MOSFET進(jìn)入“閂鎖”狀態(tài)，從而極大地降低最大阻斷電壓。如果超過該電壓，BJT會(huì)導(dǎo)致器件雪崩擊穿，在沒有限制電流時(shí)可能會(huì)損壞器件。因此，必須讓基極（體區(qū)）電壓盡可能接近發(fā)射極（源極）電壓，以使BJT始終關(guān)斷。這也是功率MOSFET中源極和基極幾乎總是短路的原因。而且，源極和體區(qū)短路會(huì)形成一個(gè)二極管，稱為體二極管。它不像BJT那樣會(huì)存在問題，在某些應(yīng)用中甚至還很有用。

圖9: 功率MOSFET中的寄生元件

圖10: 寄生電容

功率 MOSFETs

在電源應(yīng)用設(shè)計(jì)中采用MOSFET的目的之一是確保電源可以在高壓下工作，這也意味著它可以在需要時(shí)阻斷高電壓，而不會(huì)被擊穿。這一點(diǎn)是通過在漏極的N-Si和體區(qū)的P-Si之間形成的二極管效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。在偏置下，漏- 體PN結(jié)就如同一個(gè)反向偏置二極管，它形成空間電荷區(qū) (SCR) 并阻斷電壓。偏置電壓越高，阻斷電壓所需的空間電荷區(qū)就越大。如果電壓足夠高，SCR將可能穿透漏極和源極之間的空間，從而導(dǎo)致MOSFET導(dǎo)通，這被稱為反向擊穿。因此，在高電壓下工作的關(guān)鍵似乎是擁有一個(gè)非常長(zhǎng)的MOSFET溝道。然而，制造更長(zhǎng)的晶體管并不是一個(gè)可行的選擇，原因如下：

效率：更長(zhǎng)的溝道意味著更高的RDS(ON)，這會(huì)導(dǎo)致更高的導(dǎo)通損耗。

尺寸：更長(zhǎng)的溝道將占用更多空間，會(huì)降低MOSFET的集成能力。

基于以上原因，功率MOSFET并非采用我們習(xí)慣看到的傳統(tǒng)MOSFET結(jié)構(gòu)來構(gòu)建（見圖 5），而是采用垂直結(jié)構(gòu)構(gòu)建，其源極和柵極在頂板上，漏極在底部（見圖 11）。

由于晶體管的深度不會(huì)帶來制造上的問題，因此耗盡區(qū)可以根據(jù)需要盡可能長(zhǎng)，而這也只會(huì)增加導(dǎo)通損耗。通過將MOSFET 漏極連接到整個(gè)金屬背板上，可以更容易地將這些MOSFET并聯(lián)以提高電流能力。

圖11: 垂直MOSFET結(jié)構(gòu)

如前所述，MOSFET 晶體管的主要能量損耗來自開關(guān)或?qū)?。通過使用快速開關(guān)晶體管并采用軟開關(guān)可以最小化開關(guān)損耗，但減少導(dǎo)通損耗則幾乎完全取決于MOSFET的結(jié)構(gòu)，尤其取決于導(dǎo)通電阻，即RDS(ON)。

導(dǎo)通電阻的值取決于溝道的長(zhǎng)度和半導(dǎo)體的載流子濃度。當(dāng)然，電壓越高，電場(chǎng)愈強(qiáng)，耗盡區(qū)也更大（見圖12）。由于耗盡區(qū)不能貫穿整個(gè)溝道，因此深度必須加大。然而，增加半導(dǎo)體長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)通電阻又會(huì)產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響，因此，穿通半導(dǎo)體應(yīng)運(yùn)而生。

在這種類型的半導(dǎo)體器件中，漏極中的 N 區(qū)被分成兩個(gè)不同摻雜密度的部分：具有很高摻雜密度的N+區(qū)，以及稱為漂移層的低密度區(qū)。由于兩個(gè)區(qū)域之間存在摻雜梯度，反向偏置產(chǎn)生的電場(chǎng)不再是三角形。相反，它可以“穿通”漂移區(qū)的限制，形成一個(gè)矩形（見圖13）。這樣，器件將允許更高的最大阻斷電壓，而不必增加溝道長(zhǎng)度。

不過，漂移層的低摻雜濃度對(duì)該區(qū)的半導(dǎo)體電導(dǎo)率有負(fù)面影響，這限制了對(duì)導(dǎo)通電阻的影響。

圖12: 非穿通半導(dǎo)體

圖13: 穿通半導(dǎo)體

MOSFET安全工作區(qū)（SOA）

與所有器件一樣，MOSFET 也對(duì)其工作條件有所限制。這些限制條件主要與它們?cè)趽舸┣翱梢怨ぷ鞯淖畲箅妷汉碗娏鹘M合有關(guān)。為了更好地體現(xiàn)這些限制，大多數(shù)MOSFET數(shù)據(jù)表都會(huì)提供安全工作區(qū) (SOA) 圖表（參見圖 14）。

圖14: MOSFET 安全工作區(qū)（SOA）

安全工作區(qū)的上限取決于可以流經(jīng)設(shè)備的最大電流。最大電流受器件RDS(ON)的限制，因?yàn)榱鹘?jīng)MOSFET溝道（以及電阻）的電流會(huì)產(chǎn)生熱量，可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞。

SOA 的垂直右側(cè)限制由MOSFET可以阻斷但不會(huì)擊穿并導(dǎo)致導(dǎo)通的最大電壓來決定。這取決于MOSFET的結(jié)構(gòu)、溝道長(zhǎng)度和制造中使用的材料，如上節(jié)內(nèi)容所述。

SOA 右上角的對(duì)角線限制代表 MOSFET 在飽和區(qū)維持工作的能力。開關(guān)中的電流和電壓組合主要出現(xiàn)在飽和狀態(tài)下，此時(shí)，MOSFET消耗功率，然后必然以熱量的形式耗散。如果MOSFET上的電流和電壓乘積過高，過多的熱量將可能損壞器件。

SOA 右上角的幾條線表示功耗限制。這些線顯示出，MOSFET的耗散限制隨晶體管發(fā)現(xiàn)自身處于飽和狀態(tài)的時(shí)間百分比而變化。

如果 MOSFET 處于直流電壓下，則MOSFET上會(huì)有恒定的電流和電壓，器件也會(huì)持續(xù)發(fā)熱，這極大地限制了其耗散所產(chǎn)生能量的能力。但是，如果MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷，則器件僅在一小段時(shí)間內(nèi)發(fā)熱，因此可以承受更高的電流和電壓。保持導(dǎo)通的時(shí)間越短，電壓和電流就可以越高，此時(shí)僅受最大電流和電壓的限制。

結(jié)論

MOSFET幾乎是所有電子系統(tǒng)不可或缺的組成部分。這推動(dòng)了MOSFET結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，新材料不斷出現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)不斷克服當(dāng)前的物理限制，晶體管也變得越來越小。

審核編輯：湯梓紅