半导体/MOSFET晶体管

绝缘栅场效应晶体管或IGFET是现代电子学中非常重要的部分。IGFET使用施加在称为栅极的触点上的电场来控制电流的流动，该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。即使现在栅极通常用多晶硅制造，这个名字仍然沿用。然而，这个名字却一直沿用，MOSFET通常与IGFET同义，只有少数例外。

MOSFET基础

MOSFET有两个区域，称为源极和漏极，它们被高度掺杂。这些区域嵌入在基片中，基片被相反地掺杂。源极和漏极区域之间的间隙跨越基片，电流最终将流过这个间隙。在该间隙（即沟道）上方放置一层绝缘氧化物，在其上方放置一个栅极触点，通常由多晶硅制成。

MOSFET的工作原理是通过穿过绝缘层的电场来改变该间隙或沟道的一层薄层。这种改变可以是增加沟道的电流承载能力，也可以是降低电流承载能力。因此，我们有两种类型的器件：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”时沟道中有p型硅。这将在稍后得到更清楚的解释。

MOSFET操作

NMOS的横截面

MOSFET的操作可以根据端子的电压分为三种不同的模式。对于NMOSFET，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。

在这里，开关被关闭，漏极和源极之间没有传导。虽然漏极和源极之间的电流在理想情况下应该为零，因为开关已关闭，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很大一部分。

三极管或线性区域

当

$V_{GS}>V_{T}$

和

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

开关被打开，并且已经创建了一个通道，允许电流流过漏极和源极。MOSFET就像一个电阻，由栅极电压控制。从漏极到源极的电流为

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

饱和

当

$V_{GS}>V_{T}$

和

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

开关被打开，并且已经创建了一个通道，允许电流流过漏极和源极。由于漏极电压高于栅极电压，因此一部分沟道被关闭。该区域的开始也称为夹断。在第一近似中，漏极电流现在与漏极电压无关，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，晶体管仅在截止和饱和模式下工作。三极管模式主要与模拟应用相关。