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MOSFET BASIC

注:本文根据参考资料介绍MOSFET的工作原理,详细说明请下载文档

这里主要针对增强型MOS管进行讲解。其结构如下所示。

上图为一个NMOSFET,G、S、D为3个金属电极,其中S、D的电极接到N+切被P-包围,G极与其他两极绝缘,N+为衬底(高掺浓度),N-为外延层(地掺浓度)。 判断是否为NMOS管主要看衬底是否为N型。

N沟道MOSFET衬底为高掺杂的N+衬底,高掺杂沟道部分的体电阻小。然后上面为为N-的epi层,上面有两个连续的扩散区P-,沟道在P-区形成。在P-区内部,扩散形成的N+为源极。硅片表面形成栅极氧化物,多晶硅栅极材料沉积后,在连接到栅极的多晶硅层下面,就会形成一个薄的高质量的氧化层,从而产生沟道。

栅极和源极间加正向电压,P-区中的少数载流子,即“少子”,也就是电子,被电场吸引到栅极下面的表面,随着栅极和源极正向偏置电压的增加,更多的电子被吸引到这个区域,这样本地的电子密度要大于空穴,从而出现“反转”,即在栅极下面的P-区的材料从P型变成N型,形成N型“沟道”,电流可以直接通过漏极的N+型区、N-型区、栅极下面N型沟道,流到源极N+型区。

简化的NMOS管驱动结构如下图所示。千万不要被这个"P区“干扰误认为是PMOS

在GS上加上正向电压后,P-慢慢形成反型层(N型)即导电通道。如下图所示。

形成导电沟道后,D、S之间可以有电流通过,此时的Vgs为Vth,即形成导电沟道的阈值电压。

当Vgs>Vth,Vds>0时,DS之间产生电场,由于导通沟道有电阻,S->D方向的电阻增大,假设为Vc(x),x为S->D方向长度,x处到S的电压为Vgs-Vox-Vc(x),则靠近S处电压较高,D处较低,导致S处电子比D处多,形成楔形沟道。当Vds较小时,沟道主要受Vgs控制,当Vgs不变时,沟道电阻不变,id与Vds成线性关系,这就是电阻区(线性区)。

当Vds增大时,Ids增大,反型层上的电压由x→L线性增大,当Vgs-Vox(L)-Vcx(L)=Vth时,D处的反型层最薄,出现预夹断。此时Vds=Vgs-Vth=Vox(L)+Vcx(L),之后Ids几乎不变。
下图中Vdd的正极即是D,负极是S,Vgs的正极是G。

总结如下:

  • 夹断区:Vgs < Vth
  • 电阻区:Vds < Vgs-Vth & Vgs > Vth
  • 恒流区:Vgs > Vth & Vds > Vgs-Vth

GS导通→DS导通

参考资料

AN9010 MOSFET Basics by Fairchild
MOSFET wiki
MOSFETIGBT DRIVERS