MOSFET工作原理,及其結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)詳解
一、什么是MOSFET
金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管,簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”(工作載流子)的極性不同,可分為“N型”與“P型” 的兩種類型,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡(jiǎn)稱尚包括NMOS、PMOS等。
二、MOSFET的工作原理
漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏,漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電:在柵源極間加正電壓UGS,柵極是絕緣的,所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開,而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面當(dāng)UGS大于UT(開啟電壓或閾值電壓)時(shí),柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度,使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層,該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失,漏極和源極導(dǎo)電。功率MOSFET的基本特性靜態(tài)特性:
漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性,ID較大時(shí),ID與UGS的關(guān)系近似線性,曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。
MOSFET的漏極伏安特性(輸出特性):截止區(qū)(對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū));飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū));非飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū))。電力 MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài),即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管,漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù),對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。動(dòng)態(tài)特性:
其測(cè)試電路和開關(guān)過程波形如下圖所示。
三、MOSFET的結(jié)構(gòu)
一個(gè)NMOS晶體管的立體截面圖左圖是一個(gè)N型 MOSFET(以下簡(jiǎn)稱NMOS)的截面圖。如前所述,MOSFET的核心是位于中央的MOS電容,而左右兩側(cè)則是它的源極與漏極。源極與漏極的特性必須同為N型(即NMOS)或是同為P型(即PMOS)。右圖NMOS的源極與漏極上標(biāo)示的“N+”代表著兩個(gè)意義:⑴N代表摻雜(doped)在源極與漏極區(qū)域的雜質(zhì)極性為N;⑵“+”代表這個(gè)區(qū)域?yàn)楦邠诫s濃度區(qū)域(heavily doped region),也就是此區(qū)的電子濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。在源極與漏極之間被一個(gè)極性相反的區(qū)域隔開,也就是所謂的基極(或稱基體)區(qū)域。如果是NMOS,那么其基體區(qū)的摻雜就是P型。反之對(duì)PMOS而言,基體應(yīng)該是N型,而源極與漏極則為P型(而且是重(讀作zhong)摻雜的P+)?;w的摻雜濃度不需要如源極或漏極那么高,故在右圖中沒有“+”。
對(duì)這個(gè)NMOS而言,真正用來作為通道、讓載流子通過的只有MOS電容正下方半導(dǎo)體的表面區(qū)域。當(dāng)一個(gè)正電壓施加在柵極上,帶負(fù)電的電子就會(huì)被吸引至表面,形成通道,讓N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這個(gè)電壓被移除,或是放上一個(gè)負(fù)電壓,那么通道就無法形成,載流子也無法在源極與漏極之間流動(dòng)。
假設(shè)操作的對(duì)象換成PMOS,那么源極與漏極為P型、基體則是N型。在PMOS的柵極上施加負(fù)電壓,則半導(dǎo)體上的空穴會(huì)被吸引到表面形成通道,半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—空穴則可以從源極流向漏極。假設(shè)這個(gè)負(fù)電壓被移除,或是加上正電壓,那么通道無法形成,一樣無法讓載流子在源極和漏極間流動(dòng)。
特別要說明的是,源極在MOSFET里的意思是“提供多數(shù)載流子的來源”。對(duì)NMOS而言,多數(shù)載流子是電子;對(duì)PMOS而言,多數(shù)載流子是空穴。相對(duì)的,漏極就是接受多數(shù)載流子的端點(diǎn)。
四、MOSFET的主要參數(shù)
場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)很多,包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù),但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數(shù):
1、IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中,柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。
2、UP—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中,使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。
3、UT—開啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中,使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。
4、gM—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓UGS—對(duì)漏極電流ID的控制能力,即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。
5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù),加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù),是指場(chǎng)效應(yīng)管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù),是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí),漏源間所允許通過的最大電流。場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過IDSM。
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