金属-氧化物-半导体场效应管(MOS-FET)解析
MOSFET
MOS晶体管MOS晶体管的概念金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。
MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
这个名称前半部分说明了它的结构，后半部分说明了它的工作原理。
从纵向看，MOS晶体管是由栅电极、栅绝缘层和半导体衬底构成的一个三明治结构；从水平方向看，MOS晶体管由源区、沟道区和漏区3个区域构成，沟道区和硅衬底相通，也叫做MOS 晶体管的体区。
一个MOS晶体管有4个引出端：栅极、源极、漏极和体端即衬底。
由于栅极通过二氧化硅绝缘层和其他区域隔离，MOS晶体管又叫做绝缘场效应晶体管。
MOS晶体管还因为其温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛用于大规模和超大规模集成电路中。
MOS管有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管，P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。
凡栅-源电压U GS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅-源电压U GS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。
MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC。
MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压V GS实现对水平I DS的控制。
它是多子（多数载流子）器件。
用跨导描述其放大能力。
MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。
MOS管介绍解读
MOS管介绍解读MOS管是一种双极性场效应晶体管（FET），也称为MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）。
它是一种由金属层、氧化物层和半导体层构成的晶体管。
MOS管被广泛用于数字电路、模拟电路和功率放大器等应用中，因为它具有很高的开关速度、较低的功耗和较高的承受电压能力。
MOS管的工作原理是通过控制栅极电压来控制电流的流动。
当栅极电压为零时，MOS管处于关闭状态，没有电流流过。
当栅极电压增加到临界值以上时，MOS管进入开启状态，允许电流流过。
MOS管的导电能力主要取决于栅极电压与漏极电压之间的差异。
当栅极电压较高时，MOS管的导电性较好，电流流过的能力较大。
相反，当栅极电压较低时，MOS管的导电性较差，电流流过的能力较小。
MOS管有两种类型，分别是N沟道MOS管和P沟道MOS管。
它们的区别在于所使用的材料类型和电流流动方向。
N沟道MOS管使用N型半导体材料构成，通过负栅极电压来控制正电流的流动。
P沟道MOS管使用P型半导体材料构成，通过正栅极电压来控制负电流的流动。
这两种类型的MOS管可以用于不同的应用中，具体选择取决于电路设计和所需的电流极性。
与其他晶体管相比，MOS管具有许多优势。
首先，MOS管的开关速度较快，可以实现高频率的信号放大和处理。
其次，MOS管的功耗较低，因为它只需要很小的电压来控制电流流动。
此外，MOS管可以承受较高的电压，使其适用于高功率应用。
另外，MOS管具有良好的线性特性和温度稳定性，可以在不同的工作条件下提供稳定的性能。
MOS管还有一些应用注意事项。
首先，由于MOS管是压阻性器件，它的输入特性受到栅极电容的影响。
因此，在高频应用中，需要注意匹配负载和输入电容，以避免信号衰减和失真。
其次，MOS管还有最大额定电压和最大额定电流。
在设计电路时，需要确保不超过这些限制，以防止损坏MOS管。
最后，MOS管的工作温度范围也需要考虑，因为过高或过低的温度可能会影响性能和寿命。
通俗易懂讲解MOS管
通俗易懂讲解MOS管什么是MOS管？MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。
因此，MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。
在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。
1、MOS管的构造在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、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，分别作为漏极D和源极S。
然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅（Si02）绝缘层膜，在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极，作为栅极G。
这就构成了一个N沟道（NPN型）增强型MOS管。
显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。
图1-1所示 A 、B分别是它的结构图和代表符号。
同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，及上述相同的栅极制作过程，就制成为一个P沟道（PNP型）增强型MOS 管。
下图所示分别是N沟道和P沟道MOS管道结构图和代表符号。
2、MOS管的工作原理增强型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VGS=0时，即使加上漏-源电压VDS，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道（没有电流流过），所以这时漏极电流ID=0。
此时若在栅-源极间加上正向电压，即VGS＞0，则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场，由于氧化物层是绝缘的，栅极所加电压VGS无法形成电流，氧化物层的两边就形成了一个电容，VGS等效是对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道，当VGS大于管子的开启电压VT（一般约为 2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID，我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，一般用VT表示。
MOS 场效应管的工作原理及特点
MOS 场效应管的工作原理及特点场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P 沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。
MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
一、工作原理1．沟道形成原理当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
金属氧化物半导体场效应管
金属氧化物半导体场效应管一、概述金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是一种重要的半导体器件，广泛应用于电子、通信、计算机等领域。
它是一种可控电阻器，具有高输入阻抗、低噪声和低功耗等优点。
二、结构MOSFET由源极（S）、漏极（D）、栅极（G）组成。
其中，源极和漏极之间形成一个n型或p型的沟道，在栅极施加电压时可以改变沟道中电子或空穴的浓度，从而改变沟道的电阻。
三、工作原理1. 原理简介MOSFET的工作原理基于场效应。
当栅极施加正向电压时，在栅极与沟道之间形成一个正向场，使得沟道中的载流子浓度增加，从而降低了沟道的电阻；反之当栅极施加负向电压时，则会使得沟道中的载流子浓度减少，从而增加了沟道的电阻。
因此，在不同的栅极电压下，可以通过控制沟道中载流子浓度来改变MOSFET的输出特性。
2. n沟道MOSFETn沟道MOSFET（n-channel MOSFET）是一种常用的MOSFET。
它由一个p型基底、两个n型掺杂的区域和一个金属栅极组成。
当栅极施加正向电压时，n型区域中的电子会向沟道区域移动，形成导电通道；反之当栅极施加负向电压时，导电通道被截断，MOSFET处于截止状态。
3. p沟道MOSFETp沟道MOSFET（p-channel MOSFET）与n沟道MOSFET类似，只是其由一个n型基底、两个p型掺杂的区域和一个金属栅极组成。
当栅极施加负向电压时，p型区域中的空穴会向沟道区域移动，形成导电通道；反之当栅极施加正向电压时，导电通道被截断，MOSFET 处于截止状态。
四、特点1. 高输入阻抗：由于MOSFET具有高阻抗输入端口，所以可以避免输入信号对前级放大器产生影响。
2. 低噪声：由于MOSFET具有低噪声系数，所以可以在低信号水平下进行放大，从而提高了系统的灵敏度。
3. 低功耗：由于MOSFET具有低静态功耗和高效率，所以可以减少功耗，并延长电池寿命。
4. 高速开关：由于MOSFET具有快速开关特性，所以可以用于高频率应用。
MOSFET工作原理
MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor--SIT）。
其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1.功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET,（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。
MOS管工作原理讲解
MOS管工作原理讲解MOS管，即金属-氧化物-半导体场效应管，是一种常见的场效应晶体管（FET）。
它由金属源极、漏极和栅极三个主要部分组成。
MOS管的工作原理是通过改变栅极电压来控制漏极电流。
MOS管的核心部分是氧化层，它位于金属栅极和半导体基底之间。
氧化层是一种绝缘体材料，通常使用二氧化硅（SiO2）。
当栅极施加电压时，该电压通过氧化层作用于半导体基底，形成一个电场。
当栅极电压较低时，栅极电场不足以影响基底中的电子状态。
此时，基底中的电子自由地从源极向漏极漂移，形成漏极电流。
这种情况下，MOS管处于开启状态，漏极电流的大小由源极-漏极之间的电压及基底材料的特性决定。
当栅极电压较高时，栅极电场能够将氧化层下面的基底区域形成一个以栅极为中心的高电子浓度区域，称为沟道区。
这个区域的电子会形成一个导电通道，使得源极和漏极之间形成导电路径。
此时，MOS管处于导通状态，漏极电流较大。
因此，MOS管的导通状态是由栅极电压决定的。
较高的栅极电压会形成更强的电场，进一步增强沟道区的导电能力，从而导致更大的漏极电流。
反之，较低的栅极电压会减小沟道区的导电能力，导致漏极电流减小或完全阻断。
MOS管的工作原理还与栅极与基底之间的接触结构和栅极材料的性质相关。
栅极与基底之间的接触结构对栅极电场的传递、氧化层的质量和沟道区的形成都起着重要的作用。
另外，栅极材料的选择也会影响MOS管的性能。
金属栅极常用的材料有铝、铬等，而高性能MOS管常使用聚硅藻酸酯或多晶硅等材料作为栅极。
需要注意的是，MOS管具有极高的输入电阻，即栅极与基底之间的氧化层能够有效隔离电流，从而减小输入电流。
这使得MOS管在集成电路中具有广泛应用。
由于MOS管工作原理的特性，它可以用于模拟和数字电路，包括放大器、开关电路、时钟驱动器等。
综上所述，MOS管通过改变栅极电压来控制漏极电流。
栅极电场能够在氧化层下形成一个导电通道，使得源极和漏极之间形成导电路径，从而实现MOS管的导通。
第三章 场效应管放大电路讲解
d
结构图
B衬底 g
s
电路符号
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因此在栅源电压为零时，在正的vDS作用下，也有较 大的漏极电流iD由漏极流向源极。
当vGS>0时，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电 流 iG ，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变 宽。在vDS作用下，iD将具有更大的数值。
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3.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
⒈ 结构和工作原理简述 这种管子在制造时，
SiO2绝缘层 中掺有大量
正离子
由于二氧化硅绝缘层中掺
有大量的正离子，即使在
vGS= 0时，由于正离子的 作用，也和增强型接入正
N型沟道
栅源电压并使vGS>VTh时相 似，能在P型衬底上感应 出较多的电子，形成N型 沟道，将源区和漏区连通
② 可变电阻区 （vDS≤vGS-VTh ）
iD Kn 2 vGS VTh vDS vD2S
iD/mA
可变电阻区 饱和区
电导常数Kn单位是mA/V2。
8 6
在特性曲线原点附近，vDS很 4
7V A
6V B
5V C
4V
小，则
2
D
vGS=3V
iD 2Kn vGS VTh vDS
E 截止区
5 10 15 20 vDS/V
电压vGS对漏极电流iD的控制
特性，即 iD f vGS vDS常数
由于饱和区内，iD受vDS的影
iD/mA 8
A
B
6 VDS =10V C
4
D
响很小，因此饱和区内不同vDS 下的转移特性基本重合。
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各种结构的FET均有门极、源极、漏极3个端子，将这些与双极性晶体管的各端子对应如下表所示。 根据JFET、MOSFET的通道部分的半导体是p型或是n型分别有p沟道元件，n沟道元件两种类型
FET 漏极 栅极 源极
双极性晶体管 集电极 基极 发射极
n沟道型JFET与MOSFET结构图比较
3.1.基本特性
2. 绝缘栅型IGFET ( Insulated Gate Fi半导体三极管MOSFET
（Metal Oxide Semiconductor FET） 根据Vgs＝0V时是否有导电沟道MOS管又分为：
N沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道增强型 P沟道耗尽型 如图增强型MOS管 （N型及P型导电通道）
金属-氧化物-半导体场效应管
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
1.基本知识概述 2.分类、命名、标识、结构 3.基本特性 4. 应用 5.制程及工艺 6.常见失效模式及案例分析 7.Derating标准及其测试方法
1.1 MOSFET的基本知识
公式二 公式一
3.1.3
然而由于场效应管输入阻抗很高，栅极的感应电荷不易泻放，且二 氧化硅绝缘层很薄，栅极与衬底间的等效电容很小感应产生的少量电 荷即可形成很高的电压，容易击穿二氧化硅绝缘层而损坏管子。存放 管子时应将栅极和源极短接在一起，避免栅极悬空。进行焊接时烙铁 外壳应接地良好，防止因烙铁漏电而将管子击穿。
本文从场效应管的结构、特性出发，阐述其工作原理、应用、失效条 件、以及 Derating 测试参数、测试方法。
公式一
作为放大器的通常用法是VGS 、VGS (off) < 0（n沟道），VGS 、VGS (off) >0（p沟道）。公 式一用起来比较困难，多用近似的公式表示如下
将此式就VGS 改写则得下式
公式二
公式三
若说公式二是作为JFET的解析结果推导出来的，不如说与实际的JFET的特性或者与公式一很一致 的，作为实验公式来考虑好些。图3.1.3表示式一、式二及实际的JFET的正规化传输特性，即以ID /IDSS为纵坐标，VGS /VGS (off) 为横坐标的传输特性。n沟道的JFET在VGS < 0的范围使用时，因 VGS(off) < 0，VGS /VGS(off) >0，但在图3.1.3上考虑与实际的传输特性比较方便起见，将原点向左 方向作为正方向。但在设计半导体电路时，需要使用方便且尽可能简单的近似式或实验式。
在耗尽层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想 状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但 是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个耗尽层接 触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速 电子通过耗尽层。如图3.1.2(b)所示的那样，即便再 增加VDS ，因漂移电场的强度几乎不变产生ID 的 饱和现象。
3.1.1
3.1.2
JFET的工作原理用一句话说，就是"漏极-源极间流 经沟道的ID ，用以门极与沟道间的pn结形成的反偏 的门极电压Vgs控制ID "。更正确地说，ID 流经通 路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化， 产生耗尽层扩展变化控制的缘故。
在VGS =0的非饱和区域，图3.1.2(a)表示的耗尽层的 扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场， 源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极 有电流ID 流动。达到饱和区域后，从门极向漏极扩 展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，ID饱和。 将这种状态称为夹断。这意味着耗尽层将沟道的一 部分阻挡，并不是电流被切断。
其次，如图3.1.2(c)所示，VGS 向负的方向变化，让 VGS =VGS (off) ，此时耗尽层大致成为覆盖全区域 的状态。而且VDS 的电场大部分加到耗尽层上，将 电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部 分，这更使电流不能流通
实际的传输特性包括JFET本身的结构参数，例如沟道部分的杂质浓度和载体移动性，以致形状、 尺寸等，作为很麻烦的解析结果可导出如下公式（公式的推导略去）
1.1.1概述
场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这 种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输 入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单,存在 零温度系数工作点等优点，因而大大地扩展了它的应用范围，特别是在 大规模和超大规模集成电路由于面积仅为双极型三极管的5％，因此得 到了广泛的应用。
3.1.1 JFET的基本特性 • 首先，门极-源极间电压以0V时考虑（VGS =0）。在此状态下漏极-源极间电压VDS 从0V增加，漏
电流ID几乎与VDS 成比例增加，将此区域称为非饱和区（可变电阻区）。VDS 达到某值以上漏电 流ID 的变化变小，几乎达到一定值。此时的ID 称为饱和漏电流（有时也称漏电流用IDSS 表示。此 区域称为饱和导通区（恒流区）。当VDS过大则进入击穿区。 • 其次在漏极-源极间加一定的电压VDS (例如0.8V)，VGS 值从0开始向负方向增加，ID 的值从IDSS 开 始慢慢地减少，对某VGS 值ID =0。将此时的VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压，用VGS (off)或Vp表示。n沟道JFET的情况，则VGS (off) 值为负,测量实际的JFET对应ID =0的VGS 因为很困 难。因此实际应用中将达到ID =0.1～10μA 的VGS 定义为VGS (off) 的情况多些。 关于JFET为什么 表示这样的特性，用图3.1.2作以下简单的说明。
2.1. 分类、命名、标识、结构 2.1.1按结构分，有两类 1. 结型JFET (Junction type Field Effect Transistor)
利用半导体内的电场效应进行工作，也称为体内场效应器件。
a：JFET的概念图
b: JFET的符号 门极的箭头指向为p指向 n方向，分别表示内向为n沟道JFET，外向为p沟道JFET。