一文搞懂MOSFET结构、符号、工作原理（一）

您所在的位置：网站首页 › 电路符号字母表示全称 › 一文搞懂MOSFET结构、符号、工作原理（一）

一文搞懂MOSFET结构、符号、工作原理（一）

2024-07-09 12:27| 来源: 网络整理| 查看: 265

不知道屏幕前恰巧搜到这篇文章的你是否正被教科书中下图类似的表格搞的晕头转向，如果是这样，那么恭喜你，读完本文你将不再迷茫。

本文将从定义与分类、结构与符号、工作原理、特性曲线几个部分介绍MOSFET。

1 定义与分类

金属氧化物半导体场效应管（Metal Oxide semiconductor Field Effect transistor，MOSFET），也称为绝缘栅型场效应晶体管（IGFET）。

根据参与导电的载流子种类不同，可以分为N沟道场效应管和P沟道场效应管。

N沟道场效应管以电子作为导电载流子，

P沟道场效应管以空穴作为导电载流子。

根据导通方式的不同，又可分为耗尽型和增强型。

耗尽型指本来就存在导电沟道，工作时，施加电压后，会使本来存在的沟道消失；

增强型指本来没有导电沟道，工作时，施加电压后，会生成一个导电沟道。

因此两两组合就可以分为四种：N沟道增强型MOSFET、N沟道耗尽型MOSFET、P沟道增强型MOSFET、P沟道耗尽型MOSFET。

2 结构与符号

对于初学者来说，经常分不清各个类型MOSFET及对应的符号。其实，如果我们了解了MOSFET的结构以及符号化的过程，就能很容易分辨MOSFET的类型。下面以N沟道耗尽型MOSFET为例，说明这一过程。

2.1 N沟道耗尽型MOSFET的结构

N沟道耗尽型MOSFET结构如图1所示，它由以下部分组成

（1）一块低掺杂的P型硅片作为衬底；

（2）利用扩散工艺制作的两个高掺杂的N+区，此时P型衬底和N型掺杂区交界处会形成PN结，也称为耗尽层。从N+区直接引出两个电极，分别为源极（Source，S）和漏极（Drain，D）。

（3）在半导体上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2绝缘层上制作一层金属铝，并引出电极，作为栅极G（Gate，G）。

（4）在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入适量的金属正离子，在这些正离子作用下，SiO2绝缘层下方就会聚集负离子从而形成反型层（注意和耗尽层的区别），形成漏-源之间的导电沟道。

图1 N沟道耗尽型MOSFET结构

通常，将B极和S极连接在一起使用，如图2所示。

图2 B极和S极连接在一起使用

根据“1 定义与分类”中介绍的概念，这个结构在不施加任何电压的情况下，已经存在导电沟道，因此属于耗尽型，而这个导电沟道是N沟道，因此是N沟道耗尽型MOSFET。

2.2 N沟道耗尽型MOSFET的符号

根据图1的结构，我们按照以下步骤画出MOSFET的符号：

（1）画一条竖实线表示本就存在的N沟道（图3中淡黄色竖实线，注意本来存在的沟道用实线表示，后面表示本不存在的沟道时应用虚线表示）；

（2）再画一条稍短的竖实线表示金属铝（图3中左侧灰色竖实线），可以把灰色竖实线和淡黄色竖实线之间的空白区域理解为SiO2绝缘层，并从金属铝上引出G极；

（3）从N沟道的两端直接引出D、S极；

（4）把N沟道（淡黄色竖实线）右侧理解成P型衬底，再画一个P型衬底指向N沟道的箭头用来表示PN结的方向；

这样我们就得到了图3所示的符号。

图3 N沟道耗尽型MOSFET的符号

由于B极和S极是连接在一起使用的，我们将图3稍加优化，得到图4所示的符号，这就是最终的N沟道耗尽型MOSFET的符号了。

图4 最终的N沟道耗尽型MOSFET的符号

同样的，如果我们拿到这个符号，我们可以一眼看出以下信息：

（1）右侧竖线为实线 -> 耗尽型；

（2）箭头指向右侧竖线 -> 为N沟道；

我们立刻就能看出这是一个N沟道耗尽型MOSFET。现在回过头再看本文最开始的表格左侧三列，是不是就很简单了呢？

下面，我们继续解决后面两列。

3 工作原理

我们分两个方面讨论N沟道耗尽型MOSFET的工作原理：

（1）漏源电压 $u_{DS}$ 对漏极电流 $i_{D}$ 的控制作用，即输出特性；

（2）栅源电压 $u_{GS}$ 对漏极电流 $i_{D}$ 的控制作用，即转移特性。

3.1 漏源电压 $u_{DS}$ 对漏极电流 $i_{D}$ 的控制作用

将G极、S极短接，在D极、S极之间加电压 $u_{DS}$ >0，连接示意图如图5所示。

图5 连接示意图

这种情况下在N沟道内，由D极到S极，电压基本是均匀减小的，即N沟道靠近D极一侧与P型衬底的压差大，因此耗尽层（即PN结）会较厚，靠近S极一侧与P型衬底的压差小，耗尽层会较薄，因此会形成图6所示的情况，

图6 耗尽层厚度变化

此时沟道呈电阻特性， $i_{D}$ 随的 $u_{DS}$ 增加而近似线性增加。我们可以画出这种情况下 $i_{D}$ 与 $u_{DS}$ 的曲线关系，如图7所示。

图7 $i_{D}$ 与 $u_{DS}$ 的曲线关系

继续增大 $u_{DS}$ ，N沟道靠近D极一侧与P型衬底的压差继续增大，因此耗尽层会变的更厚，直至在D极一侧出现夹断点，称为预夹断，如图8所示。

图8 预夹断

此时， $i_{D}$ 随 $u_{DS}$ 的增加而缓慢增加，趋于稳定，如图9所示。

图9 $i_{D}$ 与 $u_{DS}$ 的曲线关系

继续增大 $u_{DS}$ ，被夹断的区域不断变大，如图10所示。

图10 耗尽层变化

此时 $u_{DS}$ 增加的部分几乎全用于克服夹断区对漏极电流的阻力， $i_{D}$ 基本不随 $u_{DS}$ 的增加而变化，如图11所示。

图11 $i_{D}$ 与 $u_{DS}$ 的曲线关系

继续增大 $u_{DS}$ ，当 $u_{DS}$ 增加到一定程度，管子将被击穿，电流骤然增大，如图12所示，使用时应避免使MOSFET进入这一区域。

图12 $i_{D}$ 与 $u_{DS}$ 的曲线关系

3.2 栅源电压 $u_{GS}$ 对漏极电流 $i_{D}$ 的控制作用

短接D极、S极，在G极、S极施加电压 $u_{GS}$ 0时， $i_{D}$ 比 $u_{GS}$ =0时大，且 $u_{GS}$ 越大， $i_{D}$ 越大。于是可以画出 $u_{GS}$ 0时的曲线，如图14所示（示意图，并不精确）。

图14 不同 $u_{GS}$ 下 $i_{D}$ 与 $u_{DS}$ 的曲线关系

下面，我们对以上过程加以总结，即可得到输出特性曲线和转移特性曲线。

4 特性曲线 4.1 输出特性曲线

MOSFET的输出特性曲线是指当 $u_{GS}$ > $U_{GS(off)}$ 且为一定值时，漏极电流 $i_{D}$ 与漏源电压 $u_{DS}$ 之间的关系，对于每个 $u_{GS}$ 值，有一条曲线与之对应，因此输出特性曲线是一簇曲线，如图15所示（示意图，并不精确）。

图15 输出特性曲线

根据“3 工作原理” 中的分析，我们可以将MOSFET的工作区域分为以下四个区域：

（1）可变电阻区：图中虚线为预夹断轨迹，由各条曲线的预夹断点连接而成，预夹断轨迹左侧区域， $i_{D}$ 随的 $u_{DS}$ 增加近似线性增加，呈现出电阻特性。而对于不同的 $u_{GS}$ ， $i_{D}$ 上升上升速率不同，因此可以通过改变 $u_{GS}$ 的大小来改变漏源等效电阻的阻值，因此称为可变电阻区；

（2）恒流区：预夹断轨迹右侧区域称为恒流区，各曲线近似平行与横轴， $i_{D}$ 基本不随 $u_{DS}$ 的增加而变化。因而可以将 $i_{D}$ 近似为 $u_{GS}$ 控制的电流源，故称该区域为恒流区。

（3）截止区：当 $u_{GS}$

【本文地址】

公司简介

联系我们