金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)

1、概述

除了结型场效应晶体管 (JFET) 之外，还有另一种类型的场效应晶体管，其栅极输入与主载流通道电绝缘。 MOSFET 是一种称为绝缘栅场效应晶体管的半导体器件。

MOSFET 的工作原理与 JFET 相同，但具有与导电沟道电隔离的栅极端子。

在许多不同类型的电子电路中使用的最常见类型的绝缘栅 FET 称为金属氧化物半导体场效应晶体管或简称 MOSFET。

IGFET 或 MOSFET 是一种压控场效应晶体管，与 JFET 的不同之处在于它具有“金属氧化物”栅电极，该栅电极通过非常薄的绝缘材料层与主半导体N沟道或P沟道电绝缘 通常是二氧化硅，俗称玻璃。

这种超薄绝缘金属栅电极可以被视为电容器的一块板。 控制栅极的隔离使得 MOSFET 的输入电阻在兆欧 (MΩ) 范围内极高，从而使其几乎无穷大。

由于栅极端子与漏极和源极之间的主载流通道电隔离，因此“没有电流流入栅极”，并且就像 JFET 一样，MOSFET 也充当压控电阻器，其中电流流经主通道 漏极和源极之间的电压与输入电压成正比。 与 JFET 一样，MOSFET 非常高的输入电阻很容易积聚大量静电荷，导致 MOSFET 很容易损坏，除非小心处理或保护。

与之前的 JFET文章所介绍的一样，MOSFET 是具有栅极、漏极和源极的三端子器件，并且提供 P 沟道 (PMOS) 和 N 沟道 (NMOS) MOSFET。 这次的主要区别在于 MOSFET 有两种基本形式：

• 耗尽型 - 晶体管需要栅源电压 (VGS) 来“关闭”器件。 耗尽型 MOSFET 相当于一个“常闭”开关。
• 增强型 – 晶体管需要栅源电压 (VGS) 才能将器件切换为“ON”。 增强型MOSFET相当于一个“常开”开关。

两种 MOSFET 配置的符号和基本结构如下所示。

上面的四个 MOSFET 符号显示了一个称为基板的附加端子，通常不用作输入或输出连接，而是用于将基板接地。 它通过二极管结连接到主半导体通道到 MOSFET 的主体或金属片。

通常在分立型 MOSFET 中，该基板引线在内部连接至源极端子。 在这种情况下，如在增强类型中一样，为了清楚起见，它从符号中被省略。

MOSFET 符号中漏极 (D) 和源极 (S) 连接之间的线代表晶体管的半导体沟道。 如果该沟道线是实心不间断线，那么它代表“耗尽”（常开）型 MOSFET，因为漏极电流可以在零栅极偏置电势下流动。

如果沟道线显示为点线或折线，则它代表“增强”（常关）型 MOSFET，因为零漏极电流在零栅极电位下流动。 指向该沟道线的箭头的方向指示导电沟道是P型半导体器件还是N型半导体器件。

2、MOSFET 基本结构和符号

金属氧化物半导体 FET 的结构与结型 FET 的结构非常不同。 耗尽型和增强型 MOSFET 均使用栅极电压产生的电场来改变电荷载流子（n 沟道的电子或 P 沟道的空穴）通过半导体漏源沟道的流动。 栅电极位于非常薄的绝缘层之上，漏极和源电极下方有一对小的 N 型区域。

我们在之前的教程中看到，结型场效应晶体管 JFET 的栅极必须以反向偏置 PN 结的方式偏置。 对于绝缘栅 MOSFET 器件，不存在此类限制，因此可以将 MOSFET 的栅极偏置为正 (+ve) 或负 (-ve) 极性。

这使得 MOSFET 器件作为电子开关或制造逻辑门特别有价值，因为在没有偏置的情况下，它们通常不导通，并且这种高栅极输入电阻意味着需要很少或不需要控制电流，因为 MOSFET 是电压控制器件。 P 沟道和 N 沟道 MOSFET 都有两种基本形式：增强型和耗尽型。

2.1 耗尽型 MOSFET

耗尽型 MOSFET 比增强型 MOSFET 不太常见，通常在不施加栅极偏置电压的情况下切换为“ON”（导通）。 也就是说，当 $V_{GS}=0$ 时通道会导通，使其成为“常闭”器件。 上面显示的耗尽型 MOS 晶体管的电路符号使用实心沟道线来表示常闭导电沟道。

对于N沟道耗尽型 MOS 晶体管，负栅源电压 $-V_{GS}$ 将耗尽（因此得名）其自由电子的导电沟道，从而将晶体管切换为“关闭”。 同样，对于P 沟道耗尽型 MOS 晶体管，正栅源电压 $+V_{GS}$ 将耗尽其自由空穴的沟道，将其“关闭”。

换句话说，对于N沟道耗尽型MOSFET：$+V_{GS}$意味着更多的电子和更多的电流。 而$-V_{GS}$ 意味着更少的电子和更少的电流。P 沟道类型的情况也相反。 那么耗尽型MOSFET就相当于一个“常闭”开关。

耗尽型N沟道电路符号

耗尽型 MOSFET 的构造方式与 JFET 晶体管类似，漏极-源极沟道本质上与 n 型或 p 型沟道内存在的电子和空穴导电。 沟道的这种掺杂在漏极和源极之间产生了一条低电阻的导电路径，栅极偏置为零。

2.2 增强型MOSFET

更常见的增强模式 MOSFET 或 eMOSFET 与耗尽模式类型相反。 这里，导电沟道是轻掺杂的，甚至是未掺杂的，使其不导电。 当栅极偏置电压 $V_{GS}$ 为零时，这会导致器件通常处于“关闭”（不导通）状态。 上面所示的增强型 MOS 晶体管的电路符号使用断开的沟道线来表示常开非导通沟道。

对于n沟道增强型MOS晶体管，只有当栅极电压（ V G S V_{GS} V