場效應(yīng)管內(nèi)部構(gòu)造和工作原理詳解-KIA MOS管

場效應(yīng)管是什么？

場效應(yīng)管是通過輸入電場來控制輸出電流的半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗與單極導(dǎo)電特性。

場效應(yīng)管的輸入特性，使得它在無輸入電流或輸入電流極小的情況下，依然能夠有效地控制輸出電流，這也是它得名的由來。

場效應(yīng)管僅依賴多數(shù)載流子進行導(dǎo)電，與雙極型晶體管不同，因此也被稱為單極型晶體管。

場效應(yīng)管的導(dǎo)電載流子可以是電子（對應(yīng)N溝道器件）或空穴（對應(yīng)P溝道器件）。從結(jié)構(gòu)上劃分，場效應(yīng)管包括結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）。后者亦被稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體管（MOSFET）。結(jié)型場效應(yīng)管因其內(nèi)部的兩個PN結(jié)而得名，而絕緣柵型場效應(yīng)管則以其柵極與其他電極的完全絕緣特性而區(qū)分。

場效應(yīng)管內(nèi)部構(gòu)造、原理

絕緣柵型場效應(yīng)管：

絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管）是目前電子電路中最常用的場效應(yīng)管，核心改進是“柵極與溝道之間加絕緣層”，解決了JFET不能正向偏置的問題，且開關(guān)速度快、集成度高，是芯片、電源、電機控制的核心器件。

MOS管的結(jié)構(gòu)核心是“絕緣層隔離柵極與溝道”，具體如下（以N溝道MOS管為例）：

襯底：通常是P型半導(dǎo)體（也有N型襯底）；

絕緣層：在襯底表面生長一層極薄的氧化硅（SiO2），厚度僅幾十到幾百埃（1埃=10-10米），起絕緣作用；

柵極：在絕緣層表面蒸鍍一層金屬（如鋁），形成柵極（G），因絕緣層隔離，柵極無電流通過；

源極與漏極：在襯底上絕緣層兩側(cè)，通過擴散工藝制作兩個高濃度N型半導(dǎo)體區(qū)，分別引出源極（S）和漏極（D）；

導(dǎo)電溝道：源極和漏極之間的區(qū)域，需通過柵源電壓（VGS）控制是否形成及寬度（與JFET不同，MOS管可“無溝道”初始狀態(tài)）。

根據(jù)“是否需要VGS形成溝道”，MOS管分為增強型（Enhancement Mode）和耗盡型（Depletion Mode），每種類型又分N溝道和P溝道。

工作原理：電場“感應(yīng)”溝道控電流MOS管的核心是通過柵源電壓產(chǎn)生的電場感應(yīng)出導(dǎo)電溝道，進而控制漏極電流。

N溝道增強型MOS管（最常用）

初始狀態(tài)：當(dāng)VGS=0時，源極（N型）和漏極（N型）之間是P型襯底，相當(dāng)于兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)（N-P-N），無導(dǎo)電溝道，此時即使加VDS>0，ID=O(截止?fàn)顟B(tài)）；

溝道形成：當(dāng)加正向柵源電壓（VGS>0）時，柵極金屬層帶正電，會通過絕緣層感應(yīng)襯底中的自由電子（N型載流子）向襯底表面聚集，當(dāng)VGS增大到某一值（“開啟電壓VGS（th）”）時，襯底表面的電子濃度超過空穴濃度，形成一層“N型導(dǎo)電溝道”（連接源極和漏極）；

電流控制：溝道形成后，加VDS>0，電子從源極經(jīng)溝道流向漏極，形成ID；VGS越大，電場越強，感應(yīng)的電子越多，溝道越寬、電阻越小，ID越大（“電壓控制電流”的體現(xiàn)）。

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