MOSFET的基本工作原理
對MOSFET(金屬(shǔ)氧化物半導體場效應晶體管(guǎn))的基本結構,要理解MOSFET的功能,或許要首先研究一下半導體表麵。
由(yóu)於缺乏相鄰的原子(zǐ),某種半(bàn)導體的表麵總是其理想晶(jīng)格的一種被擾(rǎo)亂的形態。因此(cǐ),表麵常常會生長一層薄的氧化層或吸附一些其他原子和分子。於是,這些表麵層通常會帶電。
以一(yī)種p型半導體為例(lì),假定其表麵帶正電對少(shǎo)量正電荷可得在(zài)這種表麵,空穴的濃度/密度逐漸降(jiàng)低,其導帶(dài)和價(jià)帶同時向下彎曲,建立起一個厚(hòu)度為hd的耗盡區。
增大正電荷量將導致I qVs I > E; - EF
在這種情況下,導帶和價帶彎曲得更加厲(lì)害,對於(yú)半導(dǎo)體表(biǎo)麵處的一個較(jiào)小區域,費米(mǐ)能級更加靠(kào)近導帶而不是價帶(dài),從而形成一個厚度為(wéi)h的反型層,在反型層中電子是多數載流子。
緊挨著反型層的是(shì)厚度為h.的耗盡層,耗盡層把反(fǎn)型層和P區(qū)隔開。
如果該p型半導體表麵帶負(fù)電,所形成的(de)將是空穴累積(jī)層。N型半導體的特性與之相似:表麵帶正電時形成累積層,表麵帶負電時形成耗盡區負電荷增(zēng)多則形成反型層。
接下來,假定在此p型半導體的(de)表麵有一層薄氧化膜,氧化膜上再鍍一(yī)層金(jīn)屬膜。在這層金屬膜上施加一個正(zhèng)向電壓。進一步再添加兩個n+區分別(bié)作為源區和(hé)
漏區。這(zhè)樣,我們就有(yǒu)了(le)一個最簡單的橫向MOS場效應晶體管的(de)例子。正向電壓的作用和正表麵電荷的作用相同:當(dāng)柵極上有(yǒu)足夠大的正電壓(yā),兩個
n區就會通過反型層連接起來。由於(yú)柵壓Vc>VT,漏(lòu)極和源極之間才有電流通過。
柵源閾值電壓Vr(對n溝道 MOSFET):該(gāi)閾值電壓(yā)是這樣一個柵極電壓,在此電壓下產生(shēng)的電子濃度等於空穴濃度。
MOS場效(xiào)應晶體管可分(fèn)為
1)n溝道MOSFET:在p區形成一個n型(xíng)溝道。
2)p溝道 MOSFET:在(zài)n區形成一個p型溝道。
仔細探查,必須考慮到氧化層在靠近半導體的(de)界麵上含有正電荷。這些電荷的密度(dù)在5x10°~1x101/c㎡數量級(jí)。而且,功率MOSFET的柵區由n型重摻雜多晶矽層組(zǔ)成),由於n*摻雜多晶矽和p型(xíng)半導體(考慮(lǜ)n溝道MOS-
FET)中費米(mǐ)能級的位置不同,柵極和半導體之間已經存在了一個(gè)電勢(shì)差。這兩種效應都以(yǐ)相(xiàng)同(tóng)的方式起作用,猶如一個外(wài)施正柵極電壓,從而導致閾值電壓(yā)V,降低。n溝道 MOSFET在p區低(dī)摻(chān)雜和氧(yǎng)化層電荷密度高的情況下,V是負的,甚至沒有外
加柵極電壓,溝道也會存在。上(shàng)麵所提到的閾值電壓的定義仍然是有效的。
MOSFET 可根據柵極電(diàn)壓分為
1)耗盡(jìn)型:V<0,該器件為常開器件,在柵源加負電壓vc
2)增強型:Vπ>0,n溝道隻在Vc>Vr時才會形(xíng)成(常關器件)。
通常情況下,由於具有常關(guān)特點,電力電子技(jì)術中使用的是增強型MOSFET器件,而且幾乎都是n溝道MOSFET.由於電子的(de)遷移率遠遠高於空穴的(de)遷移率,n溝道MOSFET器件更有優勢。現代器件閾值(zhí)電壓(yā)的典型值被調整到2~4V。