MOSFET，即金屬氧化物半導體場效應晶體管，是半導體晶體管元器件中的一種，現已被廣泛的應用。

眾所周知，晶體管有多種形狀、尺寸和設計，但基本上所有晶體管都屬于兩大家族，分別是雙極結型晶體管(BJT)和場效應晶體管(FET)。BJT和FET之間有兩個主要區別，第一個區別是，在BJT中，多數和少數電荷載流子都負責電流傳導，而在FET中，僅涉及多數電荷載流子。

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

FET可以再次分為兩種類型，即結型場效應晶體管(JFET)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，本文將重點討論MOSFET。

MOSFET的概念

金屬氧化物半導體場效應晶體管 (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，當沒有電流流入柵極端子時，MOSFET也充當壓控電阻器，即柵極端的小電壓控制流過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用當中。

此外，MOSFET還具有三個端子，即漏極 (D)、源極 (S) 和柵極 (G)，還有一個(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型。

1、耗盡型

耗盡型MOSFET晶體管相當于一個“常閉”開關。耗盡型晶體管需要柵極 - 源極電壓 (V GS ) 來關閉器件。

N溝道和P溝道類型的MOSFET耗盡模式的符號如上圖所示。在上述符號中，我們可以觀察到第四個端子(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粗線代表耗盡型。箭頭符號表示通道的類型，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) 時導通，與增強型MOSFET相比，耗盡型MOSFET中溝道的電導率較低。

2、增強類型

增強模式MOSFET相當于“常開”開關，這些類型的晶體管需要柵源電壓來開啟器件。N溝道和P溝道增強型MOSFET的符號如下所示。

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

通常，該氧化層稱為“反轉層”。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率分別取決于N型或P型溝道。

MOSFET原理和特性

MOSFET的基本結構如下圖所示，與JFET的結構相比，MOSFET的結構非常不同。在MOSFET的增強和耗盡模式中，柵極電壓會產生電場，這會改變流動的電荷載流子，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N型區域。

另外，在上述MOSFET結構中，漏極和源極之間的溝道為N型，與P型襯底相對形成。對于正 (+ve) 或負 (-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一般處于非導通狀態，因此這些MOSFET用于制作開關和邏輯門。MOSFET的耗盡型和增強型均適用于N溝道和P溝道類型。

1、耗盡模式

耗盡型MOSFET通常被稱為“開關導通”器件，因為這些晶體管通常在柵極端子沒有偏置電壓時關閉。如果柵極電壓增加為正，則溝道寬度在耗盡模式下增加。

結果通過溝道的漏極電流ID增加。如果施加的柵極電壓更負，則溝道寬度非常小，MOSFET可能進入截止區。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)之間的關系。柵極處的小電壓控制流過通道的電流。

漏極和源極之間的溝道充當良導體，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，則這兩者(溝道寬度和漏極電流)減小。

2、增強模式

增強型MOSFET是常用的晶體管類型，這種類型的MOSFET相當于常開開關，因為它在柵極電壓為零時不導通。如果將正電壓(+V GS)施加到N溝道柵極端，則溝道導通，漏極電流流過溝道。

如果該偏置電壓增加到更正，則通道寬度和通過通道的漏極電流會增加更多。但是，如果偏置電壓為零或負(-V GS)，則晶體管可能會關閉并且通道處于非導通狀態。所以現在可以說增強型MOSFET的柵極電壓增強了溝道。

增強型 MOSFET 晶體管主要用作電子電路中的開關，因為它們具有低導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電路，例如具有NMOS和PMOS晶體管的CMOS門。

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

MOSFET晶體管由不同的半導體材料制成。這些MOSFET 能夠在導電和非導電模式下工作，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和放大。

N溝道MOSFET放大器

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

但是，如果在使用了N溝道增強型MOSFET的單級“A 類”放大器電路中，具有共源極配置的N溝道增強型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生的柵極偏置電阻控制。該放大器電路的輸出信號是反相的，因為當柵極電壓 (V G ) 高時晶體管導通，而當電壓 (V G ) 低時晶體管截止。

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。這里的分壓器網絡由輸入電阻R1和R2形成，交流信號的輸入電阻為Rin=RG=1MΩ。

下面給出了計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

下面簡單介紹下MOSFET在其總體運行中運行的不同區域。

截止區：如果柵源電壓小于閾值電壓，那么可以說晶體管工作在截止區(即完全關閉)。在該區域中，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，則可以說晶體管處于線性區域，在此狀態下晶體管充當變量電阻器。

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：在這個區域，柵極電壓遠大于閾值電壓，漏極電流處于最大值，晶體管處于完全導通狀態。在該區域中，晶體管充當閉合電路。

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

晶體管導通并開始電流流過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的主要應用

MOSFE用于數字集成電路，例如微處理器。

用于計算器。

用于存儲器和邏輯CMOS門。

用作模擬開關。

用作放大器。

用于電力電子和開關模式電源的應用。

在無線電系統中用作振蕩器。

用于汽車音響系統和擴聲系統。

結論

以上簡單介紹了有關MOSFET電子元件的基礎知識，主要包括MOSFET的結構、不同類型的MOSFET、電路符號、工作原理、使用MOSFET控LED的示例電路以及一些應用領域，內容僅供參考。