MOSFET，即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是半導(dǎo)體晶體管元器件中的一種，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用。

眾所周知，晶體管有多種形狀、尺寸和設(shè)計(jì)，但基本上所有晶體管都屬于兩大家族，分別是雙極結(jié)型晶體管(BJT)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。BJT和FET之間有兩個(gè)主要區(qū)別，第一個(gè)區(qū)別是，在BJT中，多數(shù)和少數(shù)電荷載流子都負(fù)責(zé)電流傳導(dǎo)，而在FET中，僅涉及多數(shù)電荷載流子。

另一個(gè)非常重要的區(qū)別是，BJT本質(zhì)上是一個(gè)電流控制器件，這意味著晶體管基極的電流決定了集電極和發(fā)射極之間流動(dòng)的電流量。而在FET的情況下，柵極(FET中的一個(gè)端子相當(dāng)于BJT中的基極)的電壓決定了其他兩個(gè)端子之間的電流。

FET可以再次分為兩種類型，即結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，本文將重點(diǎn)討論MOSFET。

MOSFET的概念

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 是一種FET晶體管。在這些晶體管中，柵極端子與載流通道電絕緣，因此也稱為絕緣柵極FET (IG-FET)。由于柵極和源極之間的絕緣，MOSFET的輸入電阻可能非常高，通常在1014歐姆左右。

與JFET一樣，當(dāng)沒有電流流入柵極端子時(shí)，MOSFET也充當(dāng)壓控電阻器，即柵極端的小電壓控制流過(guò)源極和漏極之間通道的電流。目前，MOSFET晶體管主要用于電子電路應(yīng)用當(dāng)中。

此外，MOSFET還具有三個(gè)端子，即漏極 (D)、源極 (S) 和柵極 (G)，還有一個(gè)(可選)端子，稱為襯底或主體 (B)。

需要注意的是，MOSFET也有兩種類型，N溝道 (NMOS) 和P溝道 (PMOS)。MOSFET基本上分為兩種形式，分別是耗盡型和增強(qiáng)型。

1、耗盡型

耗盡型MOSFET晶體管相當(dāng)于一個(gè)“常閉”開關(guān)。耗盡型晶體管需要柵極 - 源極電壓 (V GS ) 來(lái)關(guān)閉器件。

N溝道和P溝道類型的MOSFET耗盡模式的符號(hào)如上圖所示。在上述符號(hào)中，我們可以觀察到第四個(gè)端子(基板)連接到地，但在分立 MOSFET 中，它連接到源極端子。連接在漏極和源極端子之間的連續(xù)粗線代表耗盡型。箭頭符號(hào)表示通道的類型，例如N通道或P通道。

在這種類型的MOSFET中，在柵極端子下方沉積了一層薄薄的硅。耗盡型MOSFET晶體管通常在零柵源電壓 (VGS) 時(shí)導(dǎo)通，與增強(qiáng)型MOSFET相比，耗盡型MOSFET中溝道的電導(dǎo)率較低。

2、增強(qiáng)類型

增強(qiáng)模式MOSFET相當(dāng)于“常開”開關(guān)，這些類型的晶體管需要柵源電壓來(lái)開啟器件。N溝道和P溝道增強(qiáng)型MOSFET的符號(hào)如下所示。

在這里可以觀察到源極和漏極之間有一條虛線連接，代表增強(qiáng)模式類型。在增強(qiáng)型MOSFET中，電導(dǎo)率通過(guò)增加氧化物層來(lái)增加，從而將載流子添加到溝道中。

通常，該氧化層稱為“反轉(zhuǎn)層”。溝道在漏極和源極之間形成與襯底相反的類型，例如N溝道由P型襯底制成，P溝道由N型襯底制成。由電子或空穴引起的溝道電導(dǎo)率分別取決于N型或P型溝道。

MOSFET原理和特性

MOSFET的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，與JFET的結(jié)構(gòu)相比，MOSFET的結(jié)構(gòu)非常不同。在MOSFET的增強(qiáng)和耗盡模式中，柵極電壓會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，這會(huì)改變流動(dòng)的電荷載流子，例如N溝道的電子和P溝道的空穴。

在這里可以觀察到柵極端子位于薄金屬氧化物絕緣層的頂部，并且在漏極和源極端子下方使用了兩個(gè)N型區(qū)域。

另外，在上述MOSFET結(jié)構(gòu)中，漏極和源極之間的溝道為N型，與P型襯底相對(duì)形成。對(duì)于正 (+ve) 或負(fù) (-ve) 的極性，很容易偏置MOSFET柵極端子。

如果柵極端沒有偏置，則MOSFET一般處于非導(dǎo)通狀態(tài)，因此這些MOSFET用于制作開關(guān)和邏輯門。MOSFET的耗盡型和增強(qiáng)型均適用于N溝道和P溝道類型。

1、耗盡模式

耗盡型MOSFET通常被稱為“開關(guān)導(dǎo)通”器件，因?yàn)檫@些晶體管通常在柵極端子沒有偏置電壓時(shí)關(guān)閉。如果柵極電壓增加為正，則溝道寬度在耗盡模式下增加。

結(jié)果通過(guò)溝道的漏極電流ID增加。如果施加的柵極電壓更負(fù)，則溝道寬度非常小，MOSFET可能進(jìn)入截止區(qū)。耗盡型MOSFET是電子電路中很少使用的晶體管類型。

下圖顯示了耗盡型MOSFET的特性曲線。

以上給出了耗盡型MOSFET晶體管的VI特性。該特性主要給出了漏源電壓(V DS)和漏電流(I D)之間的關(guān)系。柵極處的小電壓控制流過(guò)通道的電流。

漏極和源極之間的溝道充當(dāng)良導(dǎo)體，在柵極端子處具有零偏置電壓。如果柵極電壓為正，則溝道寬度和漏極電流增加，如果柵極電壓為負(fù)，則這兩者(溝道寬度和漏極電流)減小。

2、增強(qiáng)模式

增強(qiáng)型MOSFET是常用的晶體管類型，這種類型的MOSFET相當(dāng)于常開開關(guān)，因?yàn)樗跂艠O電壓為零時(shí)不導(dǎo)通。如果將正電壓(+V GS)施加到N溝道柵極端，則溝道導(dǎo)通，漏極電流流過(guò)溝道。

如果該偏置電壓增加到更正，則通道寬度和通過(guò)通道的漏極電流會(huì)增加更多。但是，如果偏置電壓為零或負(fù)(-V GS)，則晶體管可能會(huì)關(guān)閉并且通道處于非導(dǎo)通狀態(tài)。所以現(xiàn)在可以說(shuō)增強(qiáng)型MOSFET的柵極電壓增強(qiáng)了溝道。

增強(qiáng)型 MOSFET 晶體管主要用作電子電路中的開關(guān)，因?yàn)樗鼈兙哂械蛯?dǎo)通電阻和高截止電阻以及高柵極電阻。這些晶體管用于制造邏輯門和電源開關(guān)電路，例如具有NMOS和PMOS晶體管的CMOS門。

增強(qiáng)型MOSFET的VI特性如上圖所示，給出了漏極電流 (ID) 和漏源電壓 (VDS) 之間的關(guān)系。從上圖中可以觀察了增強(qiáng)型 MOSFET 在不同區(qū)域(例如歐姆區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū))的行為。

MOSFET晶體管由不同的半導(dǎo)體材料制成。這些MOSFET 能夠在導(dǎo)電和非導(dǎo)電模式下工作，具體取決于輸入端的偏置電壓，MOSFET的這種能力使其可用于開關(guān)和放大。

N溝道MOSFET放大器

與BJT相比，MOSFET的跨導(dǎo)非常低，這意味著電壓增益不會(huì)很大。因此，MOSFET通常不用于放大器電路。

但是，如果在使用了N溝道增強(qiáng)型MOSFET的單級(jí)“A 類”放大器電路中，具有共源極配置的N溝道增強(qiáng)型MOSFET是主要使用的放大器電路類型。而耗盡型MOSFET放大器與JFET放大器非常相似。

MOSFET的輸入電阻由輸入電阻產(chǎn)生的柵極偏置電阻控制。該放大器電路的輸出信號(hào)是反相的，因?yàn)楫?dāng)柵極電壓 (V G ) 高時(shí)晶體管導(dǎo)通，而當(dāng)電壓 (V G ) 低時(shí)晶體管截止。

上圖顯示了具有共源配置的通用MOSFET 放大器。這是A類模式的放大器。這里的分壓器網(wǎng)絡(luò)由輸入電阻R1和R2形成，交流信號(hào)的輸入電阻為Rin=RG=1MΩ。

下面給出了計(jì)算上述放大器電路的柵極電壓和漏極電流的公式。

V G = (R 2 / (R 1 + R 2 ))*VDD

I D = V S / R S

釋義：

V G=柵極電壓

V S=輸入源電壓

V DD=漏極電源電壓

R S=源電阻

R 1 & R 2=輸入電阻

下面簡(jiǎn)單介紹下MOSFET在其總體運(yùn)行中運(yùn)行的不同區(qū)域。

截止區(qū)：如果柵源電壓小于閾值電壓，那么可以說(shuō)晶體管工作在截止區(qū)(即完全關(guān)閉)。在該區(qū)域中，漏極電流為零，晶體管作為開路。

V GS < V TH => I DS = 0

歐姆(線性)區(qū)域：如果柵極電壓大于閾值電壓并且漏源電壓位于VTH和 (VGS – VTH) 之間，則可以說(shuō)晶體管處于線性區(qū)域，在此狀態(tài)下晶體管充當(dāng)變量電阻器。

V GS > V TH和 V TH < V DS < (V GS VGS – V TH ) => MOSFET用作可變電阻器

飽和區(qū)：在這個(gè)區(qū)域，柵極電壓遠(yuǎn)大于閾值電壓，漏極電流處于最大值，晶體管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。在該區(qū)域中，晶體管充當(dāng)閉合電路。

V GS >> V TH和 (V GS – V TH ) < V DS < 2(V GS – V TH ) => I DS=最大值

晶體管導(dǎo)通并開始電流流過(guò)溝道的柵極電壓稱為閾值電壓。N溝道器件的閾值電壓值范圍在0.5V到0.7V之間，而P溝道器件的閾值電壓值范圍在-0.5V到-0.8V之間。

MOSFET的主要應(yīng)用

MOSFE用于數(shù)字集成電路，例如微處理器。

用于計(jì)算器。

用于存儲(chǔ)器和邏輯CMOS門。

用作模擬開關(guān)。

用作放大器。

用于電力電子和開關(guān)模式電源的應(yīng)用。

在無(wú)線電系統(tǒng)中用作振蕩器。

用于汽車音響系統(tǒng)和擴(kuò)聲系統(tǒng)。

結(jié)論

以上簡(jiǎn)單介紹了有關(guān)MOSFET電子元件的基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括MOSFET的結(jié)構(gòu)、不同類型的MOSFET、電路符號(hào)、工作原理、使用MOSFET控LED的示例電路以及一些應(yīng)用領(lǐng)域，內(nèi)容僅供參考。