基礎電子學 - MOSFET

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FET有一些缺點，例如漏極電阻高、輸入阻抗中等以及工作速度較慢。為了克服這些缺點，發明了MOSFET，它是一種先進的FET。

MOSFET代表金屬氧化物半導體場效應電晶體或金屬氧化物矽場效應電晶體。這也被稱為IGFET，即絕緣柵場效應電晶體。FET在兩種耗盡和增強工作模式下工作。下圖顯示了實際MOSFET的外觀。

MOSFET的構造

MOSFET的構造與FET有點相似。在襯底上沉積一層氧化物層，柵極端子連線到該層。這層氧化物層充當絕緣體（sio₂與襯底絕緣），因此MOSFET還有另一個名稱為IGFET。在MOSFET的構造中，輕摻雜的襯底與重摻雜的區域擴散。根據所用襯底的不同，它們被稱為P型和N型MOSFET。

下圖顯示了MOSFET的構造。

柵極電壓控制MOSFET的工作。在這種情況下，可以在柵極上施加正電壓和負電壓，因為它與溝道絕緣。使用負柵偏置電壓，它充當耗盡型MOSFET，而使用正柵偏置電壓，它充當增強型MOSFET。

MOSFET的分類

根據構造中使用的材料型別和工作型別，MOSFET分類如下所示。

分類之後，讓我們瞭解一下MOSFET的符號。

N溝道MOSFET簡稱為NMOS。N溝道MOSFET的符號如下所示。

P溝道MOSFET簡稱為PMOS。P溝道MOSFET的符號如下所示。

現在，讓我們瞭解一下N溝道MOSFET的構造細節。通常，N溝道MOSFET被認為是解釋物件，因為它最常使用。此外，無需提及對一種型別的研究也解釋了另一種型別。

N溝道MOSFET的構造

讓我們考慮一個N溝道MOSFET來了解其工作原理。取一個輕摻雜的P型襯底，其中擴散了兩個重摻雜的N型區域，它們充當源極和漏極。在這兩個N+區域之間，發生擴散形成一個N溝道，連線漏極和源極。

在整個表面上生長一層薄的二氧化矽（SiO₂），並在其中開孔以繪製漏極和源極端子的歐姆接觸。在整個溝道上鋪設一層導電的鋁，在從源極到漏極的SiO₂層上，構成柵極。SiO₂襯底連線到公共或接地端子。

由於其結構，MOSFET的芯片面積比BJT小得多，與雙極結型電晶體相比，佔用率為5%。該器件可以在多種模式下工作。它們是耗盡模式和增強模式。讓我們嘗試深入瞭解細節。

N溝道（耗盡模式）MOSFET的工作原理

現在，我們知道在此處柵極和溝道之間不存在PN接面，這與FET不同。我們還可以觀察到，擴散的溝道N（在兩個N+區域之間）、絕緣介電SiO₂和柵極的鋁金屬層共同形成了一個平行板電容器。

如果要使NMOS在耗盡模式下工作，則柵極端子應處於負電位，而漏極應處於正電位，如下圖所示。

當在柵極和源極之間不施加電壓時，由於漏極和源極之間的電壓，會有一些電流流動。假設在V_GG上施加了一些負電壓。然後，少數載流子即空穴被吸引並沉積在SiO₂層附近。但是，多數載流子即電子被排斥。

在V_GG上施加一定量的負電位，一定量的漏極電流I_D從源極流向漏極。當進一步增加此負電位時，電子會耗盡，電流I_D減小。因此，施加的V_GG越負，漏極電流I_D的值越小。

靠近漏極的溝道比源極更耗盡（如FET中一樣），並且由於這種效應，電流流動減小。因此，它被稱為耗盡型MOSFET。

N溝道MOSFET（增強模式）的工作原理

如果我們可以改變電壓V_GG的極性，則相同的MOSFET可以在增強模式下工作。因此，讓我們考慮柵極源極電壓V_GG為正的MOSFET，如下圖所示。

當在柵極和源極之間不施加電壓時，由於漏極和源極之間的電壓，會有一些電流流動。假設在V_GG上施加了一些正電壓。然後，少數載流子即空穴被排斥，而多數載流子即電子被吸引到SiO₂層。

在V_GG上施加一定量的正電位，一定量的漏極電流I_D從源極流向漏極。當進一步增加此正電位時，由於電子從源極流出，電流I_D增加，並且由於在V_GG上施加的電壓，這些電子被進一步推動。因此，施加的V_GG越正，漏極電流I_D的值越大。與耗盡模式相比，由於電子流的增加，電流流動得到增強。因此，此模式稱為增強型MOSFET。

P溝道MOSFET

PMOS的構造和工作原理與NMOS相同。取一個輕摻雜的n型襯底，其中擴散了兩個重摻雜的P+區域。這兩個P+區域充當源極和漏極。在表面上生長一層薄的SiO₂。透過此層切割孔以與P+區域接觸，如下圖所示。

PMOS的工作原理

當柵極端子在V_GG處施加負電位而不是漏極源極電壓V_DD時，由於存在P+區域，因此透過擴散的P溝道的空穴電流增加，並且PMOS在增強模式下工作。

當柵極端子在V_GG處施加正電位而不是漏極源極電壓V_DD時，由於排斥，會發生耗盡，從而導致電流流動減少。因此，PMOS在耗盡模式下工作。儘管結構不同，但兩種型別的MOSFET的工作原理相似。因此，透過改變電壓極性，兩種型別都可以在兩種模式下使用。

通過了解漏極特性曲線可以更好地理解這一點。

漏極特性

MOSFET的漏極特性是在漏極電流I_D和漏極源極電壓V_DS之間繪製的。對於不同的輸入值，特性曲線如下所示。

實際上，當V_DS增加時，漏極電流I_D應該增加，但是由於施加的V_GS，漏極電流在一定水平上受到控制。因此，柵極電流控制輸出漏極電流。

轉移特性

轉移特性定義了V_DS的值在耗盡和增強模式下隨I_D和V_GS的變化而變化。以下轉移特性曲線是針對漏極電流與柵極到源極電壓繪製的。

BJT、FET和MOSFET的比較

既然我們已經討論了以上三種，讓我們嘗試比較它們的一些特性。

到目前為止，我們已經討論了各種電子元件及其型別以及它們的構造和工作原理。所有這些元件在電子領域都有各種用途。要了解這些元件如何在實際電路中使用，請參閱電子電路教程。