mosfet种类-mosfet四种类型的区别及知识要点解析

mosfet介绍

mosfet种类有哪些？本文主要讲mosfet的四种类型。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，其他简称上包括NMOS、PMOS等。

图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S（源极）及D（漏极），如图所示。

从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。

（一）mosfet种类-N沟道增强型

N沟道增强型MOS管工作原理

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。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。

（2）N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。

排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。

（2）导电沟道的形成：

当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏——源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏——源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。

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。开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示。

上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，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

如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS）随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。

（二）mosfet种类-N沟道耗尽型

（1）结构：

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

（2）区别：

耗尽型MOS管在vGS=0时，漏——源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。

（3）原因：

制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。

如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。

（三）mosfet种类-p沟道增强型mosfet
（1）P沟道增强型mosfet的结构和工作原理

如图(1)是P沟道增强型mosfet的结构示意图．通过光刻、扩散的方法或其他手段，在N型衬底(基片)上制作出两个掺杂的P区，分别引出电极，称为源极(s)和漏极(D)，同时在漏极与源极之间的Si02绝缘层上制作金属，称为栅极(G)，栅极与其他电极是绝缘的，所以称为绝缘栅场效应管 。图(2)为P沟道增强型MOS管的电路符号。

正常工作时，P沟道增强型mosfet的衬底必须与源极相连，而漏心极对源极的电压v璐应为负值，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．导电沟道的形成(VDS=0)

当VDS=0时，在栅源之间加负电压比，如图(3)所示，由于绝缘层的存在，故没有电流，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，随着G、S间负电压的增加，耗尽层加宽，当v＆增大到一定值时，衬底中的空穴(少子)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，称反型层。

如下图(4)所示，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)，啵到vGS(th)后再增加，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。

2．VDS≠O的情况

导电沟道形成以后，D，S间加负向电压时，那么在源极与漏极之间将有漏极电流ID流通，而且ID随/VDS/而增.ID沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极间的电压不再相等，该电压削弱了栅极中负电荷电场的作用，使沟道从漏极到源极逐渐变窄，如图(5)所示．当VDS增大到使VGD=VGS(即VDS=VGS一VGS(TH))，沟道在漏极附近出现预夹断。

如图(6)所示．再继续增大VDS，夹断区只是稍有加长，而沟道电流基本上保持预夹断时的数值，其原因是当出现预夹断时再继续增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏极附近的夹断区上,故形成的漏极电流ID近似与VDS无关。

（2）P沟道增强型mosfet的特性曲线和转移特性曲线

图(7)、(8)分别是P沟道增强型M06管的漏极特性曲线和转移特性曲线．漏极特性曲线也可分为可变电阻区、恒流区和夹断区三部分．转移特性曲线是、，璐使管子工作在漏极特性曲线的恒流区时所对应的ID=F（VGS）曲线：

ID与VGS的近似关系式为：

（四）mosfet种类-P沟道耗尽型mosfet

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

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