如果说晶体管能够被称为20世纪最伟大的发明,那么毫无疑问,MOSFET在其中功不可没。
1925年,关于MOSFET基本原理的专利发表,1959年贝尔实验室发明了基于此原理的MOSFET结构设计。时至六十年后的今天,大至功率变换器,小至内存、CPU等各类电子设备核心元件,无一不用到MOSFET。但无论是书本上还是网络的资料上,基本都讲得让初学者云里雾里,什么沟道,载流子,夹断,耗尽层等,专业术语晦涩难懂,更不要说工作原理了。初学模电的时候也仅仅是把MOSFET当成一个简单的压控开关,对于其具体原理一窍不通,只能直呼“玄学模电“。直到现在系统地学习了半导体器件,才开始对于MOSFET有了比较深入的认识。
自己初学MOS的时候一头雾水,回过头来希望帮助到后来学习的人。因此这篇文章主要是分享给想了解像MOSFET这类半导体器件工作原理的同学们,希望用更简单易懂的方式讲解给大家。
本文主要涉及到的内容有:
1)半导体物理最基本的概念:载流子、沟道、耗尽层、反型层
2)MOSFET工作基本原理
3)MOSFET工作特性分析
4)MOSFET命名与符号理解
好了,正文开始。
一、基本概念-半导体
金属材料可以导电,绝缘材料不导电,那怎么样实现一个东西既能够导电又能够不导电?那就是半导体。MOSFET作为一种半导体器件,我们需要它实现的功能按最简单话来说就是既能够实现电路的通,又能够实现电路的断。放在数字电路里,这就是实现0和1的方式,在功率电路里,这就是实现PWM转换器工作的基本手段,这都是后话。
如何实现通?当材料内部具有自由移动的电子(负电荷)或者空穴(正电荷)的时候就是导通的(假如说电子或空穴被晶格束缚,那么同样无法导电),存在载流子的时候材料是导通的。如何实现断?那就是将一定区域内的自由载流子去除,材料就不能够导电了,从而达到阻断电流的作用。
我们目前用得最多的半导体材料,比如硅(Si),是Ⅳ族元素,本身最外层电子为4,可以形成稳定的晶格结构,因此它本身是无法导电的,如下图所示,所有电子和原子核都被牢牢束缚在稳定的结构中出不来,所以没有自由移动的电荷。
稳定的Si结构
而当材料中掺杂了其他元素,比如说Ⅲ族或者Ⅴ族元素,甚至其他元素,取代了晶格中的位置。掺杂Ⅴ族元素,结构中就有了除了最外层4个以外的一个电子(即多数载流子为电子),掺杂了Ⅲ族元素,结构中就缺了一个电子构成稳定结构,即形成一个空穴(即多数载流子为空穴)。如下图所示,左图为掺杂Ⅴ族元素的示意图,Ⅴ族元素最外层有五个电子,四个电子参与形成共价键,因此还剩余一个电子;右图为掺杂Ⅲ族元素的示意图,Ⅲ族元素最外层有三个电子,只有三个电子用于形成共价键,因此留下一个空穴。为了方便,可以直接将电子和空穴理解成负电荷和正电荷。
掺杂后的结构
由于带电粒子在电场中会发生移动,假如在电场的作用下,使得结构中的电子和空穴都跑掉了,那么这个区域不存在自由移动的载流子,因此区域就不再导电,这样的区域称为耗尽区(载流子被电场耗尽)。牢牢记住,耗尽区内不存在自由移动的载流子,因此是断开状态。MOS的核心原理就是利用电场的作用,使得一定区域时而导电时而断开。以下进入正题!
二、MOSFET核心部分
提起MOSFET,我们不禁要问,为什么叫MOSFET?
MOSFET全称Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金属氧化物半导体场效应晶体管。
名字一长串,一看就记不住。相信大家跟我应该是一样的感觉。但这个名字实际上是跟其结构息息相关,只要理解它,记住并不是难事。为什么这么说,我们看下图中的核心结构(这不是MOSFET,仅仅是取其中局部进行讲解)。从上往下依次是金属、氧化层、掺杂的半导体材料,连起来不就是Metal-Oxide-Semiconductor了吗,有其名必有其因。
平行极板模型