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1.7MOSFET教程

在本教程中，我们将简要介绍MOSFET，即金属氧化物半导体场效应晶体管。我们将学习不同类型的MOSFET（增强型和耗尽型）、其内部结构、一个使用MOSFET作为开关的示例电路以及一些常见应用。

晶体管及其类型​

晶体管，这项改变世界的发明，是一种半导体器件，可以作为电控开关或信号放大器。晶体管有多种形状、尺寸和设计，但本质上，所有晶体管都属于两个主要系列：

  • 双极型晶体管（BJT）
  • 场效应晶体管（FET）

要了解更多关于晶体管的基础知识和历史，请阅读《晶体管简介》教程。

BJT和FET之间有两个主要区别。第一个区别是，在BJT中，多数载流子和少数载流子都参与电流传导，而在FET中，只有多数载流子参与。

另一个非常重要的区别是，BJT本质上是电流控制器件，意味着晶体管基极的电流决定了集电极和发射极之间流动的电流量。而在FET中，栅极（FET中相当于BJT的基极）的电压决定了其他两个端子之间的电流流动。

FET又分为两种类型：

  • 结型场效应晶体管（JFET）
  • 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）

本教程我们重点介绍MOSFET。

金属氧化物半导体FET（MOSFET）​

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是FET晶体管的一种。在这些晶体管中，栅极与电流传导沟道之间是电绝缘的，因此也称为绝缘栅FET（IG-FET）。由于栅极和源极之间的绝缘，MOSFET的输入电阻可能非常高（通常在 101410^{14} 欧姆量级）。

与JFET一样，当没有电流流入栅极时，MOSFET也起到电压控制电阻的作用。栅极的小电压控制源极和漏极之间沟道的电流流动。如今，在电子电路应用中，MOSFET晶体管大多取代了JFET。

MOSFET也有三个端子，即漏极（D）、源极（S）和栅极（G），还有一个可选的端子称为衬底或体（B）。MOSFET也有N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）两种类型。MOSFET基本上分为两种形式：

  • 耗尽型
  • 增强型
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耗尽型​

耗尽型MOSFET晶体管相当于一个“常闭”开关。耗尽型晶体管需要栅源电压（VGSV_{GS}）来关闭器件。

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耗尽型MOSFET的符号如上所示，包括N沟道和P沟道类型。在上面的符号中，我们可以观察到第四个端子（衬底）连接到地，但在分立MOSFET中，它连接到源极端子。漏极和源极之间连接的连续粗线表示耗尽型。箭头符号表示沟道的类型，如N沟道或P沟道。

在这种类型的MOSFET中，一层薄薄的硅沉积在栅极下方。耗尽型MOSFET晶体管在栅源电压（VGSV_{GS}）为零时通常是导通的。耗尽型MOSFET的沟道电导率低于增强型MOSFET。

增强型​

增强型MOSFET相当于“常开”开关，这类晶体管需要栅源电压来导通器件。N沟道和P沟道增强型MOSFET的符号如下所示。

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这里，我们可以观察到源极和漏极之间连接的是一条虚线，表示增强型。在增强型MOSFET中，通过增加氧化物层来增加沟道的载流子，从而提高电导率。

通常，这个氧化物层被称为“反型层”。沟道在漏极和源极之间形成，与衬底类型相反，例如，N沟道由P型衬底制成，P沟道由N型衬底制成。沟道的电导率取决于电子或空穴，分别对应N型或P型沟道。

MOSFET的结构​

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MOSFET的基本结构如上图所示。与JFET的结构相比，MOSFET的结构非常不同。在增强型和耗尽型MOSFET中，栅极电压产生电场，改变电荷载流子的流动，例如N沟道的电子和P沟道的空穴。

在这里，我们可以观察到栅极位于薄金属氧化物绝缘层的顶部，两个N型区域用于漏极和源极端子下方。

在上述MOSFET结构中，漏极和源极之间的沟道是N型的，与P型衬底相反。栅极端子很容易偏置为正极性（+ve）或负极性（-ve）。

如果栅极端子没有偏置，那么MOSFET通常处于非导通状态，因此这些MOSFET用于制作开关和逻辑门。耗尽型和增强型MOSFET都有N沟道和P沟道类型。

耗尽型​

耗尽型MOSFET通常被称为“导通”器件，因为这些晶体管在栅极端子没有偏置电压时通常是闭合的。如果栅极电压正向增加，耗尽型的沟道宽度会增加。

因此，通过沟道的漏极电流 IDI_D 增加。如果施加的栅极电压更负，则沟道宽度非常小，MOSFET可能进入截止区。耗尽型MOSFET是电子电路中很少使用的一种晶体管。

下图显示了耗尽型MOSFET的特性曲线。

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耗尽型MOSFET晶体管的V-I特性如上所示。该特性主要给出了漏源电压（VDSV_{DS}）和漏极电流（IDI_D）之间的关系。栅极的小电压控制通过沟道的电流流动。

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当栅极端子为零偏置电压时，漏极和源极之间的沟道起到良好的导体作用。如果栅极电压为正，则沟道宽度和漏极电流增加；如果栅极电压为负，则这两个值（沟道宽度和漏极电流）减小。

增强型​

增强型MOSFET是常用的晶体管类型。这种类型的MOSFET相当于常开开关，因为当栅极电压为零时它不导通。如果将正电压（+VGS+V_{GS}）施加到N沟道栅极端子，则沟道导通，漏极电流流过沟道。

如果该偏置电压增加到更正，则沟道宽度和通过沟道的漏极电流进一步增加。但如果偏置电压为零或负（−VGS-V_{GS}），则晶体管可能关闭，沟道处于非导通状态。因此，我们现在可以说，增强型MOSFET的栅极电压增强了沟道。

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增强型MOSFET晶体管由于其导通电阻低、截止电阻高以及栅极电阻高，主要用于电子电路中的开关。这些晶体管被用于制作逻辑门和功率开关电路，例如CMOS门，其中包含NMOS和PMOS晶体管。

增强型MOSFET晶体管的V-I特性如上所示，给出了漏极电流（(I_D)）和漏源电压（VDSV_{DS}）之间的关系。从上图我们观察到增强型MOSFET在不同区域的行为，例如欧姆区、饱和区和截止区。

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MOSFET晶体管由不同的半导体材料制成。这些MOSFET具有根据输入偏置电压在导通和非导通模式下工作的能力。MOSFET的这种能力使其可用于开关和放大。

N沟道MOSFET放大器​

与BJT相比，MOSFET的跨导非常低，这意味着电压增益不会很大。因此，MOSFET（就此而言，所有FET）通常不用于放大器电路。

尽管如此，让我们看看使用N沟道增强型MOSFET的单级“A类”放大器电路。具有共源配置的N沟道增强型MOSFET是比其他类型更常用的放大器电路。耗尽型MOSFET放大器与JFET放大器非常相似。

MOSFET的输入电阻由输入电阻产生的栅极偏置电阻控制。该放大器电路的输出信号是反相的，因为当栅极电压（VGV_G）高时，晶体管导通，当电压（VGV_G）低时，晶体管关闭。

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上图显示了一般的共源配置MOSFET放大器。这是A类模式的放大器。这里，分压网络由输入电阻 R1R_1 和 R2R_2 形成，交流信号的输入电阻为 Rin=RG=1 MΩR_{in} = R_G = 1\,\text{M}\Omega。

计算上述放大器电路的栅极电压和漏极电流的方程如下：

VG=R2R1+R2⋅VDDV_G = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \cdot V_{DD}
ID=VSRSI_D = \frac{V_S}{R_S}

其中：

  • VGV_G：栅极电压
  • VSV_S：输入源电压
  • VDDV_{DD}：漏极电源电压
  • RSR_S：源极电阻
  • R1R_1 和 R2R_2：输入电阻

MOSFET在其整个操作中工作的不同区域讨论如下。

截止区：如果栅源电压小于阈值电压，则我们说晶体管工作在截止区（即完全关闭）。在此区域，漏极电流为零，晶体管表现为开路。

VGS<VTH⇒IDS=0V_{GS} < V_{TH} \quad \Rightarrow \quad I_{DS} = 0

欧姆（线性）区：如果栅极电压大于阈值电压，并且漏源电压介于 VTHV_{TH} 和 (VGS−VTH)(V_{GS} - V_{TH}) 之间，则我们说晶体管处于线性区，此时晶体管表现为可变电阻。

VGS>VTH且VTH<VDS<(VGS−VTH)⇒MOSFET表现为可变电阻V_{GS} > V_{TH} \quad \text{且} \quad V_{TH} < V_{DS} < (V_{GS} - V_{TH}) \quad \Rightarrow \quad \text{MOSFET表现为可变电阻}

饱和区：在此区域，栅极电压远大于阈值电压，漏极电流达到最大值，晶体管处于完全导通状态。在此区域，晶体管表现为闭合电路。

VGS≫VTH且(VGS−VTH)<VDS<2(VGS−VTH)⇒IDS=最大值V_{GS} \gg V_{TH} \quad \text{且} \quad (V_{GS} - V_{TH}) < V_{DS} < 2(V_{GS} - V_{TH}) \quad \Rightarrow \quad I_{DS} = \text{最大值}

晶体管导通并开始通过沟道流动的栅极电压称为阈值电压。N沟道器件的阈值电压范围在 0.5 V0.5\,\text{V} 到 0.7 V0.7\,\text{V} 之间，P沟道器件的阈值电压范围在 −0.5 V-0.5\,\text{V} 到 −0.8 V-0.8\,\text{V} 之间。

MOSFET晶体管在耗尽和增强模式下的行为取决于栅极电压，总结如下。

MOSFET TypeVGS = +VEVGS = 0VGS = -VE
N-Channel DepletionONONOFF
N-Channel EnhancementONOFFOFF
P-Channel DepletionOFFONON
P-Channel EnhancementOFFOFFON

应用

  • MOSFET 用于数字集成电路，例如微处理器。
  • 用于计算器。
  • 用于存储器和逻辑 CMOS 门。
  • 用作模拟开关。
  • 用作放大器。
  • 用于电力电子和开关电源的应用中。
  • MOSFET 在无线电系统中用作振荡器。
  • 用于汽车音响系统和扩声系统。