第10节 绝缘栅场效应晶体管 (MOSFET) (修订中)
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绝缘栅场效应晶体管 (opens new window)( IGFET)，也称为_金属氧化物场效应晶体管_（MOSFET），是场效应晶体管（FET）的衍生物。今天，大多数晶体管都是 MOSFET 类型的，作为数字集成电路的组件。尽管分立 BJT 比分立 MOSFET 的数量更多。集成电路中的 MOSFET 晶体管数量可能接近数亿。单个 MOSFET 器件的尺寸小于 1 微米，每 18 个月减小一次。更大的 MOSFET 能够在低电压下切换近 100 安培的电流；有些在较低电流下处理近 1000 V。这些器件占据了一平方厘米硅的很大一部分。MOSFET 的应用比 JFET 更广泛。但是，此时 MOSFET 功率器件的应用还不如双极结型晶体管广泛使用。
# 1. MOSFET 操作
MOSFET 与 FET 一样具有源极、栅极和漏极端子。然而，与 FET 的情况相比，栅极引线不会直接连接到硅。MOSFET 栅极是位于二氧化硅绝缘体上的金属或多晶硅层。栅极类似于_金属氧化物半导体_（MOS）电容如下图。充电时，电容器的极板承担相应电池端子的充电极性。下板是 P 型硅，其中电子被负极 (-) 电池端子排斥向氧化物，并被正极 (+) 顶板吸引。氧化物附近的这种过量电子在氧化物下方产生了一个倒置的（电子过量）通道。该通道还伴随有将通道与体硅衬底隔离的耗尽区。
N沟道MOS电容：（a）不充电，（b）充电。
在下图 (a) 中，MOS 电容器放置在 P 型衬底中的一对 N 型扩散区之间。由于电容器上没有电荷，栅极上没有偏置，N 型扩散层、源极和漏极保持电隔离。
N 沟道 MOSFET（增强型）：(a) 0 V 栅极偏置，(b) 正栅极偏置。
施加到栅极的正偏压为 电容器 (opens new window)（栅极）充电。氧化物顶部的栅极从栅极偏置电池中带上正电荷。栅极下方的 P 型衬底带负电荷。具有过量电子的反型区形成在栅极氧化物下方。该区域现在连接源极和漏极 N 型区域，形成从源极到漏极的连续 N 型区域。因此，MOSFET 与 FET 一样是单极器件。一种类型的电荷载流子负责传导。这个例子是一个 N 沟道 MOSFET。通过在这些连接之间施加电压，可以实现从源极到漏极的大电流传导。实际电路将有一个负载与上图 (b) 中的漏极电池串联。
# 2. 电子MOSFET
上图中描述的 MOSFET 称为_增强型_MOSFET。通过施加偏压来增强栅极下方的通道，可以打开非导通的、关闭的通道。这是最常见的一种设备。其他种类的 MOSFET 在此不再赘述。_有关耗尽型_器件，请参见绝缘栅场效应晶体管 (opens new window)一章。
MOSFET 与 FET 一样，是一种电压控制器件。输入到栅极的电压控制电流从源极流向漏极。栅极不汲取连续电流。但是，栅极会吸收大量电流来为栅极 电容 (opens new window)充电。
N 沟道分立 MOSFET 的横截面如下图 (a) 所示。分立器件通常针对高功率开关进行优化。N+ 表示源极和漏极是重度 N 型掺杂的。这最大限度地减少了从源极到漏极的大电流路径中的电阻损耗。N-表示轻掺杂。栅极下方、源极和漏极之间的 P 区可以通过施加正偏压来反转。掺杂分布是一个横截面，可以在硅管芯上以蛇形图案布置。这大大增加了面积，从而增加了电流处理能力。
N沟道MOSFET（增强型）：（a）横截面，（b）原理图符号。
[MOSFET原理图](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/reference/chpt- (opens new window)上图 (b) 显示了一个“浮动”栅极，表明与硅衬底没有直接连接。从源极到漏极的虚线表示该器件处于关闭状态，未导通，栅极上的偏置为零。通常“关闭”的 MOSFET 是一种增强模式器件。必须通过对栅极施加偏压来增强沟道以进行导通。衬底箭头的“指向”端对应于指向 N 型通道的 P 型材料，即“非指向”端。这是 N 沟道 MOSFET 的符号。对于 P 通道器件（未显示），箭头指向相反的方向。MOSFET 是四端器件：源极、栅极、漏极和衬底。衬底连接到分立 MOSFET 的源极，使封装部分成为三端器件。MOSFET，是集成电路的一部分，具有所有设备通用的基板，除非特意隔离。该公共连接可以接合到管芯之外，用于连接到地或电源偏置电压。
# 3. V-MOS
N 沟道“V-MOS”晶体管：(a) 横截面，(b) 示意图符号。
（上图）中的_V-MOS_器件是一种改进的功率 MOSFET，其掺杂分布用于降低导通状态的源极到漏极电阻。VMOS 得名于 V 形栅区，它增加了源漏通路的横截面积。这最大限度地减少了损耗并允许切换更高级别的功率。UMOS 是一种使用 U 形凹槽的变体，在制造中更具可重复性。
# 4. 总结
- MOSFET 是单极传导器件，与一种类型的电荷载流子（如 FET）传导，但与 BJT 不同。
- MOSFET 是一种电压控制器件，例如 FET。栅极电压输入控制源极至漏极电流。
- MOSFET 栅极不汲取持续电流，但漏电流除外。然而，为栅极电容充电需要相当大的初始电流浪涌。
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