金属氧化物场效应管

金属氧化物场效应管（MOSFET）一、预备知识1、数字电路：用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路。

2、场效应：直接通过空间和溶剂分子传递的电子效应。

场效应是一种长距离的极性相互作用,是作用距离超过两个C—C键长时的极性效应。

3、场效应管：场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。

由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管，属于电压控制型半导体器件。

场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。

二、金属氧化物场效应管概念的提出金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，英文缩写为MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），是一种可以广泛应用于数字逻辑电路的场效晶体管（field-effect transistor）。

MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为N沟道和P沟道，通常又称为N-MOSFET与P-MOSFET。

其实物图如下。

（通过与手掌的对比不难看出，MOSFET尺寸相当小）三、MOSFET发展简史MOSFET在1960年由贝尔实验室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次实现成功，这种组件的操作原理和1947年萧克利（William Shockley）等人发明的双载子接面晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高集成度的优势，在大型集成电路（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型集成电路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的领域里，近年来由于金氧半场效应晶体管组件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、单片机等数字信号处理的场合上，也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用金氧半场效应晶体管来实现过去数十年来，金氧半场效应晶体管的尺寸不断地变小。

早期的集成电路金氧半场效应晶体管制程里，沟道长度约在几个微米的等级。

但是到了今日的集成电路制程，这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。

2008年初，Intel开始以45纳米的技术来制造新一代的微处理器，实际的组件沟道长度可能比这个数字还小一些。

至90年代末，金氧半场效应晶体管尺寸不断缩小，让集成电路的效能大大提升，而从历史的角度来看，这些技术上的突破和半导体制程的进步有着密不可分的关系。

四、MOSFET的基本结构及电路符号以N沟道增强型MOS管为例，右图为该MOS管的结构示意图。

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极D和源极S。

然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极；作为栅极。

另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一N沟道增强型MOS管结构示意图个N沟道增强型MOS管。

显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。

从右图中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。

一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起。

MOSFET电路符号常用于MOSFET的电路符号有很多种变化，最常见的设计是以一条直线代表通道，两条和通道垂直的线代表源极与漏极，左方和通道平行而且较短的线代表栅极。

如右图所示即为N沟增强型金属氧化物场效应管的电路符号。

有时也会将代表通道的直线以破折线代替，以区分增强型MOSFET（enhancement modeMOSFET）或是耗尽型MOSFET（depletion mode MOSFET）N沟道增强型MOS管代表符号五、MOSFET的工作原理要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。

改变VGS的电压可控制工作电流ID。

若先不接VGS（即VGS＝0），在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。

如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。

此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。

当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。

这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。

当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。

当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压)，用符号VT表示(一般规定在ID＝10uA时的VGS作为VT)。

当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系（曲线见右图）。

此曲线称为转换特性。

因此在一定范围内可以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。

由于这种结构在VGS＝0时，ID＝0，称这种MOSFET为增强型。

另一类MOSFET，在VGS ＝0时也有一定的ID(称为IDSS)，这种MOSFET称为耗尽型。

耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道，所以在VGS＝0时，有VDS 作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变ID的大小。

VP为ID＝0时的-VGS，称为夹断电压。

①v GS对i D及沟道的控制作用MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。

从可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。

当栅源电压v GS=0时，即使另上漏源电压v DS，而且不论v DS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流i D≈0。

若在栅源极间加上正向电压，即v GS＞0，则在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的少子电子被吸引到衬底表面。

当v GS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间仍无导电沟道出现。

v GS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当v GS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层如。

v GS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道就越厚，沟道电阻将越小。

我们把开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用V T表示。

由以上分析可知，N沟道增强型MOS管在v GS＜V T时，导电沟道还未形成，这时管子处于截止状态。

只有当v GS≥V T时，才有沟道形成，此时若在漏源极间加上正向电压v DS，将有漏极电流产生。

而且v GS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，i D增大。

这种必须在v GS≥V T时才能形成导电沟道的场效应管称为增强型场效应管。

②v DS对i D的影响如下图所示，当v GS>V T且为一确定值时，正向电压v DS对导电沟道及电流I D的影响与结型场效应管相似。

漏极电流i D沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为v GD=v GS-v DS，因而这里沟道最薄。

但当v DS较小（v DS<v GS–V T）时，它对沟道的影响不大，这时只要v GS一定，沟道电阻也是一定的。

所以i D随v DS近似呈线性变化。

随着v DS的增大，靠漏极的沟道越来越薄，当v DS增加到使v GD=v GS-v DS=V T(或v DS=v GS-V T)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图XX_02(b)所示。

再继续增大v DS，夹断点将向源极方向移动，如图XX_02(c)所示。

由于v DS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故i D几乎不随v DS增大而增加，管子进入饱和区，I D几乎仅由v GS决定。

③特性曲线N 沟道增强型MOS 管的输出特性曲线如下图（1）所示。

其输出特性曲线可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。

转移特性曲线如下图（2）所示，由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区)，在饱和区内i D 几乎不随v DS 而变化，即不同的v DS 所对应的转移特性曲线几乎是重合的，所以可用v DS 大于某一数值(v DS ＞v GS -V T )后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线。

④MOSFET 的核心：金属—氧化层—半导体电容金属—氧化层—半导体结构MOSFET 在结构上以一个金属—氧化层—半导体的电容为核心（如前所述，今日的MOSFET 多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料），氧化层的材料多半是二氧化硅，其下是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。

这样子的结构正好等于一个电容器（capacitor ），氧化层扮演电容器中介电质（dielectric material ）的角色，而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数（dielectric constant ）来决定。

栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS 电容的两个端点。

当一个电压施加在MOS 电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟著改变。

考虑一个p-type 的半导体（电洞浓度为NA ）形成的MOS 电容，当一个正的电压VGB 施加在栅极与基极端（如图）时，电洞的浓度会减少，电子的浓度会增加。

当VGB 够强时，接近栅极端的电子浓度会超过电洞。

这个在p-type 半导体中，电子浓度（带负电荷）超过电洞（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反转层（inversion layer ）。

MOS 电容的特性决定了MOSFET 的操作特性，但是一个完整的MOSFET 结构还需要一个提供多数载子（majority carrier ）的源极以及接受这些多数载子的漏极。

图（1） 图（2）六、 MOSFET 的结构种类七、 MOSFET 的应用近年来由于MOSFET 元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数字讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET 来实现，以下分别介绍这些应用。