基础电子学 - MOSFET

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FET有一些缺点，例如漏极电阻高、输入阻抗中等以及工作速度较慢。为了克服这些缺点，发明了MOSFET，它是一种先进的FET。

MOSFET代表金属氧化物半导体场效应晶体管或金属氧化物硅场效应晶体管。这也被称为IGFET，即绝缘栅场效应晶体管。FET在两种耗尽和增强工作模式下工作。下图显示了实际MOSFET的外观。

MOSFET的构造

MOSFET的构造与FET有点相似。在衬底上沉积一层氧化物层，栅极端子连接到该层。这层氧化物层充当绝缘体（sio₂与衬底绝缘），因此MOSFET还有另一个名称为IGFET。在MOSFET的构造中，轻掺杂的衬底与重掺杂的区域扩散。根据所用衬底的不同，它们被称为P型和N型MOSFET。

下图显示了MOSFET的构造。

栅极电压控制MOSFET的工作。在这种情况下，可以在栅极上施加正电压和负电压，因为它与沟道绝缘。使用负栅偏置电压，它充当耗尽型MOSFET，而使用正栅偏置电压，它充当增强型MOSFET。

MOSFET的分类

根据构造中使用的材料类型和工作类型，MOSFET分类如下所示。

分类之后，让我们了解一下MOSFET的符号。

N沟道MOSFET简称为NMOS。N沟道MOSFET的符号如下所示。

P沟道MOSFET简称为PMOS。P沟道MOSFET的符号如下所示。

现在，让我们了解一下N沟道MOSFET的构造细节。通常，N沟道MOSFET被认为是解释对象，因为它最常使用。此外，无需提及对一种类型的研究也解释了另一种类型。

N沟道MOSFET的构造

让我们考虑一个N沟道MOSFET来了解其工作原理。取一个轻掺杂的P型衬底，其中扩散了两个重掺杂的N型区域，它们充当源极和漏极。在这两个N+区域之间，发生扩散形成一个N沟道，连接漏极和源极。

在整个表面上生长一层薄的二氧化硅（SiO₂），并在其中开孔以绘制漏极和源极端子的欧姆接触。在整个沟道上铺设一层导电的铝，在从源极到漏极的SiO₂层上，构成栅极。SiO₂衬底连接到公共或接地端子。

由于其结构，MOSFET的芯片面积比BJT小得多，与双极结型晶体管相比，占用率为5%。该器件可以在多种模式下工作。它们是耗尽模式和增强模式。让我们尝试深入了解细节。

N沟道（耗尽模式）MOSFET的工作原理

现在，我们知道在此处栅极和沟道之间不存在PN结，这与FET不同。我们还可以观察到，扩散的沟道N（在两个N+区域之间）、绝缘介电SiO₂和栅极的铝金属层共同形成了一个平行板电容器。

如果要使NMOS在耗尽模式下工作，则栅极端子应处于负电位，而漏极应处于正电位，如下图所示。

当在栅极和源极之间不施加电压时，由于漏极和源极之间的电压，会有一些电流流动。假设在V_GG上施加了一些负电压。然后，少数载流子即空穴被吸引并沉积在SiO₂层附近。但是，多数载流子即电子被排斥。

在V_GG上施加一定量的负电位，一定量的漏极电流I_D从源极流向漏极。当进一步增加此负电位时，电子会耗尽，电流I_D减小。因此，施加的V_GG越负，漏极电流I_D的值越小。

靠近漏极的沟道比源极更耗尽（如FET中一样），并且由于这种效应，电流流动减小。因此，它被称为耗尽型MOSFET。

N沟道MOSFET（增强模式）的工作原理

如果我们可以改变电压V_GG的极性，则相同的MOSFET可以在增强模式下工作。因此，让我们考虑栅极源极电压V_GG为正的MOSFET，如下图所示。

当在栅极和源极之间不施加电压时，由于漏极和源极之间的电压，会有一些电流流动。假设在V_GG上施加了一些正电压。然后，少数载流子即空穴被排斥，而多数载流子即电子被吸引到SiO₂层。

在V_GG上施加一定量的正电位，一定量的漏极电流I_D从源极流向漏极。当进一步增加此正电位时，由于电子从源极流出，电流I_D增加，并且由于在V_GG上施加的电压，这些电子被进一步推动。因此，施加的V_GG越正，漏极电流I_D的值越大。与耗尽模式相比，由于电子流的增加，电流流动得到增强。因此，此模式称为增强型MOSFET。

P沟道MOSFET

PMOS的构造和工作原理与NMOS相同。取一个轻掺杂的n型衬底，其中扩散了两个重掺杂的P+区域。这两个P+区域充当源极和漏极。在表面上生长一层薄的SiO₂。通过此层切割孔以与P+区域接触，如下图所示。

PMOS的工作原理

当栅极端子在V_GG处施加负电位而不是漏极源极电压V_DD时，由于存在P+区域，因此通过扩散的P沟道的空穴电流增加，并且PMOS在增强模式下工作。

当栅极端子在V_GG处施加正电位而不是漏极源极电压V_DD时，由于排斥，会发生耗尽，从而导致电流流动减少。因此，PMOS在耗尽模式下工作。尽管结构不同，但两种类型的MOSFET的工作原理相似。因此，通过改变电压极性，两种类型都可以在两种模式下使用。

通过了解漏极特性曲线可以更好地理解这一点。

漏极特性

MOSFET的漏极特性是在漏极电流I_D和漏极源极电压V_DS之间绘制的。对于不同的输入值，特性曲线如下所示。

实际上，当V_DS增加时，漏极电流I_D应该增加，但是由于施加的V_GS，漏极电流在一定水平上受到控制。因此，栅极电流控制输出漏极电流。

转移特性

转移特性定义了V_DS的值在耗尽和增强模式下随I_D和V_GS的变化而变化。以下转移特性曲线是针对漏极电流与栅极到源极电压绘制的。

BJT、FET和MOSFET的比较

既然我们已经讨论了以上三种，让我们尝试比较它们的一些特性。

到目前为止，我们已经讨论了各种电子元件及其类型以及它们的构造和工作原理。所有这些组件在电子领域都有各种用途。要了解这些组件如何在实际电路中使用，请参阅电子电路教程。