MOSFET的工作原理

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 是一種場效應(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。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，以及它們對硅結(jié)構(gòu)的影響。

圖2: 摻雜物-施體或受體雜質(zhì)

最簡單的 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)，金屬柵極會產(chǎn)生電場，并通過氧化層傳遞到硅襯底(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)。電場會對襯底半導(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)電場施加到半導(dǎo)體上時(shí)，它會作用于器件的自由電荷載流子。均勻分布在整個(gè)半導(dǎo)體中的自由電子會被吸引到電場的入口點(diǎn)(對具有正柵極電壓的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方向(見圖 4)， 這稱為載流子漂移，邏輯上它會改變半導(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)的電流也會增加。飽和區(qū)主要用于信號放大，因?yàn)闁艠O中微小的電壓變化都會導(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)對不同應(yīng)用的用處。如前所述，飽和區(qū)最適于放大信號，因?yàn)樵谙嗤腣DS條件下，柵極電壓的微小變化都會導(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)會形成雙極結(jié)型晶體管(BJT)。這種晶體管對 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會導(dǎo)致器件雪崩擊穿，在沒有限制電流時(shí)可能會損壞器件。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)短路會形成一個(gè)二極管，稱為體二極管。它不像BJT那樣會存在問題，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 MOSFET

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)非常長的MOSFET溝道。然而，制造更長的晶體管并不是一個(gè)可行的選擇，原因如下：

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

尺寸：更長的溝道將占用更多空間，會降低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，而這也只會增加導(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)āＭㄟ^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度和半導(dǎo)體的載流子濃度。當(dāng)然，電壓越高，電場愈強(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)體長度對導(dǎo)通電阻又會產(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，而不必增加溝道長度。

不過，漂移層的低摻雜濃度對該區(qū)的半導(dǎo)體電導(dǎo)率有負(fù)面影響，這限制了對導(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 也對其工作條件有所限制。這些限制條件主要與它們在擊穿前可以工作的最大電壓和電流組合有關(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)的電流會產(chǎn)生熱量，可能會導(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上會有恒定的電流和電壓，器件也會持續(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