简述MOSFET基本原理（下）

FET

在介绍MOSFET之前，我们先来了解一下FET的工作原理。FET又叫做场效应管，有N沟道和P沟道两种（沟道就是其中载流子流过的通道），如下图所示。

FET：Field-Effect Transistor管子被称为场效应管，从名字就可以知道是通过利用电场力的作用来改变了内部耗尽层的宽度来实现对电流的控制。下面我们以以N沟道FET管子为例来说明整个工作的基本过程。其无外加电场的结构如下图所示：

我们先来看FET管子的D和S短路情况下通过改变G和S极之间的电压的情况。无外加电压的情况如上图所示，上面我们提到PN结在外加电场的作用下内部的耗尽层宽度会发生变化，因此我们可以通过增加Ugs电压来改变FET管子里面的耗尽层的宽度，随着Ugs的增加，耗尽层的宽度越来越大，最终形成了闭合，使得N沟道消失，电阻无限大，此时的Ugs就被叫做夹断电压Ugsoff，如下图所示：

上面的分析是在D和S之间短路的情况，此时我们来看看Ugs在0-UGSoff之间的某一个数值的情况下，漏极和源极之间电压Ugs对FET管子的影响。当D和S之间外加电压的时候其结构如下图所示：

此时D和S之间有加载外部电压，因此由于外部电场的作用引起内部的垂直方向上有载流子的运动，因此有电流。但是由于电压Uds从漏极向源极压降，同时加上外部加载的Ugs引起了耗尽层的拓宽，综合两者的影响，在靠近D极的地方耗尽层宽，向源极往下耗尽层逐渐变窄。沟道没有被完全耗尽，因此D和S之间的电流仍然能够通过，并且随着Uds的增加电流的大小也增加，两者呈现线性变化的关系，实际上就是管子的电阻特性，对应特性曲线里面的线性区域。

当Uds进一步增大，Ugd=Ugs-Uds，Ugd逐渐减小，也就是管子的上半部分的电压作用逐渐减小，其方向与Ugs方向相反，因此上半部分的耗尽层逐渐被Uds和Ugs的共同作用影响而变宽，出现了顶部夹断的情况，如下图所示：

当Uds继续增加，耗尽层将向下逐渐变宽，使得整个夹断区域变长。当Ugd

将每一个情况与对应的曲线图对应起来如下图所示：

MOSFET

MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金属氧化物半导体场效应晶体管。名字一定是和它的材料、结构强相关的。我们结合MOSFET的管子结构图来理解一下，如下图所示：

电极采用了金属，在金属下面有一层氧化层，然后是掺杂的半导体区域，将这样的结构用来构成上面提到的FET，由此便构成了MOSFET。MOSFET也有N沟道、P沟道的区别，根据Ugs为零时漏极电流是否为0还可以分为增强型（上面介绍FET的时候就类似一种增强型）和耗尽型。N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型四种。以N沟道增强型为例，如下图所示：

MOSFET和上面提到的结型场效应管的控制机理有所不同，但是核心的机理都是控制耗尽层来实现对电流的控制。当Uds为0的时候，栅极因为有氧化绝缘层的缘故，因此栅极的电流为0。但是栅极上面加载了正电压，因此会聚集大量的正电荷，这些正电荷排斥P型半导体里面的空穴（正电荷之间的同性相斥），靠近氧化硅绝缘层，因此会在中间区域形成一个没有载流子的区域，也就是之前提到的耗尽层。如下图所示：

当Ugs增大时，一方面耗尽层将会变宽，另一方面，由于加载了正电压，P型区域的自由电子将会被吸引进入到耗尽层与绝缘层之间的区域，形成一个N区，将两极区域连接起来。这个薄型区域就叫做反型区（与P型相反，顾名思义反型区）。连通起来的S和D之间有了N型沟道，自由电子可以实现电流的导通，反型层越大沟道的电阻越小，如下图所示。

对于如何利用Uds控制电流的原理基本和前面提到的分析相类似，这里就不重复了。