电子学手册/元件/场效应晶体管/MOSFET

绝缘栅场效应晶体管，或 IGFET，是现代电子学中非常重要的组成部分。IGFET 通过在称为栅极的接触点上施加电场来控制电流的流动，该接触点与载流介质电气隔离。

在早期的 FET 中，栅极是用金属制成的，氧化物（二氧化硅（SiO₂））用作绝缘体，因此得名金属氧化物半导体 FET 或 MOSFET。尽管栅极现在通常用多晶硅制造，但这个名称一直沿用至今。然而，这个名称仍然存在，MOSFET 通常是 IGFET 的同义词，但也有一些例外。

MOSFET 基础

MOSFET 有两个区域，称为源极和漏极，它们被高度掺杂。它们嵌入在衬底中，衬底的掺杂方向相反。源极和漏极区域之间的间隙跨越衬底，电流最终将在此间隙中流动。在该间隙（沟道）上放置一层绝缘氧化物，在氧化物之上放置一个栅极接触点，通常由多晶硅制成。

MOSFET 的工作原理是利用穿过绝缘层的电场来改变该间隙或沟道的一薄层。这种改变可以增加或减少沟道的载流能力。因此，我们有两种器件——增强型 MOSFET 和耗尽型 MOSFET。根据沟道中硅的类型，MOSFET 可以是 P 型或 N 型。P 型 MOSFET 在导通时在沟道中有 P 型硅。这将在后面更清楚地解释。

MOSFET 工作原理

NMOS 的横截面

MOSFET 的工作原理可以根据端点上的电压分为三种不同的模式。对于 NMOSFET，这些模式是

截止或亚阈值模式

当

$V_{GS}<V_{T}$

其中

$V_{T}$ 是器件的阈值电压。

此时开关处于关闭状态，漏极和源极之间没有导通。虽然漏极和源极之间的电流理想情况下应该为零，因为开关处于关闭状态，但存在弱反转电流或亚阈值泄漏。随着 MOSFET 尺寸的缩小，亚阈值泄漏占总功耗的比例很大。

三极管或线性区域

当

$V_{GS}>V_{T}$

并且

$V_{DS}<V_{GS}-V_{T}$

开关处于导通状态，已经创建了一个沟道，使电流能够在漏极和源极之间流动。MOSFET 像一个电阻器一样工作，由栅极电压控制。从漏极到源极的电流是

$I_{D}\approx {\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}{\bigg [}2(V_{GS}-V_{T})V_{DS}-{V_{DS}}^{2}{\bigg ]}$

饱和

当

$V_{GS}>V_{T}$

并且

$V_{DS}>V_{GS}-V_{T}$

开关处于导通状态，已经创建了一个沟道，使电流能够在漏极和源极之间流动。由于漏极电压高于栅极电压，因此一部分沟道被关闭。这个区域的开始也被称为夹断。在第一近似中，漏极电流现在独立于漏极电压，并且电流仅由栅极电压控制

$I_{D}\approx {\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{T})^{2}$

在数字电路中，晶体管只在截止和饱和模式下工作。三极管模式主要与模拟应用有关。

参考

• 半导体