功率器件簡介：MOSFET基本原理

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2023-04-18 08:11:52 1009

半導體是如何實現導電的？

物質能否導電取決于構成物質的原子結構中是否存在自由電子（負電荷）或者空穴（正電荷），統稱為載流子。導電能力的大小又取決于物質原子結構中載流子的多少，載流子越多，導電能力越強。我們知道金屬導電，絕緣材料不導電，因此這兩類材料就代表了要在導電和不導電之間做出選擇。簡單做個比喻，選擇金屬就是導電，選擇絕緣材料就是不導電，這就是一個0和1之間做出選擇的情況。但是如果兩種狀態都需要用到的時候怎么辦？簡單來說就是要在我想要它導電的時候變成“金屬”，不想要它導電的時候變成“絕緣材料”，0和1都要，是可以選擇和變化的。對于這種0和1的變換，這里就和我們在現在的計算機中的原理對應起來了，計算機本就是一系列的0和1二進制運算構成的系統，底層的邏輯就是導通和不導通的原理。什么樣的材料能夠實現“0和1”的兼容？半導體的出現給出了最好的答案。

我們熟悉的半導體材料最多的就是Si了，如果是一個純凈的Si材料，經過一定的工藝制程單晶體可以變成本征半導體。Si晶體中的原子在空間中形成排列整齊的陣列，稱為晶格。相鄰的原子間距小，兩個相鄰的原子的一對最外層電子同時在自己的原子核圈內運動也在對方的軌道上出現，出現了共用電子的情況，這樣的結構稱為共價鍵結構，如下圖所示（一個Si原子有4個電子）：

正常情況下這種結構中的電子是非常穩定的，僅有極少數的共價電子由于熱運動獲得了足夠的能力從而掙脫束縛成為自由電子，掙脫了束縛之后原來共價穩定的結構中就空出了一個位置，空出來的地方叫做空穴（由于電子脫離而帶正電荷），自由飄蕩在外的是自由電子（負電荷）。空穴和自由電子都是成對出現的，如果在結構中加上電壓，那么電子將會產生定向運動從而形成電流。另一方面，價電子將會按照一定方向依次填補空穴，所以相對來說空穴也就有一個相對運動（依次跳到下一個坑里面去填上，再跳出來再填下一個，這樣就流水線一樣的動起來了）。這種可以流動的粒子統稱為載流子，在導電的導體中只有可以自由移動的電子作為載流子，而在本征半導體中則有電子、空穴兩種載流子，如下圖所示。

本征半導體結構正常情況下相對穩定，結構中載流子在沒有受到熱激發的情況下為0。當半導體受到熱激發，溫度升高就會產生自由電子和空穴，隨著溫度升高濃度越來越高，導電能力越強。反之則濃度越低，導電能力越弱。為了使得半導體中的載流子濃度提高，提升導電能力可以通過向結構中注入其他的元素來破壞其原有的結構，簡單來說就是擠出電子或者增加空穴。通常會選擇Ⅲ-Ⅴ族的元素，如三價的硼B和五價的磷P。

三價元素外圍只有3個電子，摻雜之后與周圍的原子共價之后還缺少一個電子填空，因此形成了空穴（正電荷），構成了P（Positive的意思）型半導體。五價元素同樣的道理，外圍有5個電子，4個形成了共價鍵，多出來一個自由電子（負電荷），構成了N（Negative的意思）型半導體，如下圖所示。在N型半導體中，自由電子濃度大于空穴，因此自由電子稱為多子（多數的載流子），同樣P型半導體中空穴是多子。

PN結與耗盡層

擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動。當我們把P型和N型半導體放在一起的時候，兩者之間不同載流子的濃度是不同的。P型半導體中空穴多，N型半導體自由電子多，彼此對于地方都是一個低濃度的地方。因此P型半導體的空穴會向N型半導體運動，N型半導體的自由電子會向P型半導體運動。當空穴和電子相遇的時候就自動結合，因此在交界面附近載流子的濃度下降。在結合過程中慢慢形成了電場區域，由N型指向P型，空穴與自由電子結合使得正負離子達到平衡，構成了內部靜電場，電壓為Uho。由于內部電場力的作用同時電場力的作用距離有限，因此正電荷被排斥向左邊，自由電子被排斥在右邊，中間形成了一個只有正負離子的區域。這個區域內沒有載流子了，直接說就是載流子被消耗完了，因此空間電荷區又被稱為耗盡層。

前面我們提到物質導電與否取決于結構中是否有載流子，導電能力大小取決于載流子的多少。在耗盡層中沒有載流子了，因此這個區域就不導電了。當此時我們施加一個外部電壓，電場力的方向和內部電場力的方向相反，抵消了內部電場力的作用，引起空穴向左邊運動，自由電子向右邊移動（同性相斥、異性相吸），從而使得耗盡層變窄，電阻降低，這個時候就能夠實現導通了，如下圖所示。

相反的，當外加一個反向電壓，和內部電場力的方向保持一致，則耗盡層將會擴大，增大到一定程度則會導致PN結幾乎被耗盡層占完，沒有載流子了，無法導電，實現了斷路的作用，如下圖所示：

這樣一來就實現了通斷兼容，0和1隨時切換了，這也是PN結的單向導通的基本原理，在數字電路里面這是實現0和1的方式，在功率電路里面是實現PWM轉換器的基本手段。MOSFET管子的工作基本原理也是這樣的，接下來我們將介紹MOSFET的基本工作原理。MOS的核心原理就是利用電場的作用，改變耗盡層的大小，使得該區域時而導電時而斷開。

FET

在介紹MOSFET之前，我們先來了解一下FET的工作原理。FET又叫做場效應管，有N溝道和P溝道兩種（溝道就是其中載流子流過的通道），如下圖所示。

FET：Field-Effect Transistor管子被稱為場效應管，從名字就可以知道是通過利用電場力的作用來改變了內部耗盡層的寬度來實現對電流的控制。下面我們以以N溝道FET管子為例來說明整個工作的基本過程。其無外加電場的結構如下圖所示：

我們先來看FET管子的D和S短路情況下通過改變G和S極之間的電壓的情況。無外加電壓的情況如上圖所示，上面我們提到PN結在外加電場的作用下內部的耗盡層寬度會發生變化，因此我們可以通過增加Ugs電壓來改變FET管子里面的耗盡層的寬度，隨著Ugs的增加，耗盡層的寬度越來越大，最終形成了閉合，使得N溝道消失，電阻無限大，此時的Ugs就被叫做夾斷電壓Ugsoff，如下圖所示：

上面的分析是在D和S之間短路的情況，此時我們來看看Ugs在0-UGSoff之間的某一個數值的情況下，漏極和源極之間電壓Ugs對FET管子的影響。當D和S之間外加電壓的時候其結構如下圖所示：

此時D和S之間有加載外部電壓，因此由于外部電場的作用引起內部的垂直方向上有載流子的運動，因此有電流。但是由于電壓Uds從漏極向源極壓降，同時加上外部加載的Ugs引起了耗盡層的拓寬，綜合兩者的影響，在靠近D極的地方耗盡層寬，向源極往下耗盡層逐漸變窄。溝道沒有被完全耗盡，因此D和S之間的電流仍然能夠通過，并且隨著Uds的增加電流的大小也增加，兩者呈現線性變化的關系，實際上就是管子的電阻特性，對應特性曲線里面的線性區域。

當Uds進一步增大，Ugd=Ugs-Uds，Ugd逐漸減小，也就是管子的上半部分的電壓作用逐漸減小，其方向與Ugs方向相反，因此上半部分的耗盡層逐漸被Uds和Ugs的共同作用影響而變寬，出現了頂部夾斷的情況，如下圖所示：

當Uds繼續增加，耗盡層將向下逐漸變寬，使得整個夾斷區域變長。當Ugd<Ugsoff時候，一方面由D到S的電流隨著Uds的增加而增加，另外一方面溝道被耗盡，載流子變少，移動被阻礙，因此電流減小。這兩方面的影響是相互制約的，并且增加的Uds幾乎全部被用來克服耗盡層的阻礙，因此電流并沒有隨著Uds的增加而變化，FET呈現了恒流特性。如下圖所示：

將每一個情況與對應的曲線圖對應起來如下圖所示：

MOSFET

MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金屬氧化物半導體場效應晶體管。名字一定是和它的材料、結構強相關的。我們結合MOSFET的管子結構圖來理解一下，如下圖所示：

電極采用了金屬，在金屬下面有一層氧化層，然后是摻雜的半導體區域，將這樣的結構用來構成上面提到的FET，由此便構成了MOSFET。MOSFET也有N溝道、P溝道的區別，根據Ugs為零時漏極電流是否為0還可以分為增強型（上面介紹FET的時候就類似一種增強型）和耗盡型。N溝道增強型、N溝道耗盡型、P溝道增強型、P溝道耗盡型四種。以N溝道增強型為例，如下圖所示：

MOSFET和上面提到的結型場效應管的控制機理有所不同，但是核心的機理都是控制耗盡層來實現對電流的控制。當Uds為0的時候，柵極因為有氧化絕緣層的緣故，因此柵極的電流為0。但是柵極上面加載了正電壓，因此會聚集大量的正電荷，這些正電荷排斥P型半導體里面的空穴（正電荷之間的同性相斥），靠近氧化硅絕緣層，因此會在中間區域形成一個沒有載流子的區域，也就是之前提到的耗盡層。如下圖所示：

當Ugs增大時，一方面耗盡層將會變寬，另一方面，由于加載了正電壓，P型區域的自由電子將會被吸引進入到耗盡層與絕緣層之間的區域，形成一個N區，將兩極區域連接起來。這個薄型區域就叫做反型區（與P型相反，顧名思義反型區）。連通起來的S和D之間有了N型溝道，自由電子可以實現電流的導通，反型層越大溝道的電阻越小，如下圖所示。

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