電子學手冊/元件/場效應電晶體/MOSFET

絕緣柵場效應電晶體，或 IGFET，是現代電子學中非常重要的組成部分。IGFET 透過在稱為柵極的接觸點上施加電場來控制電流的流動，該接觸點與載流介質電氣隔離。

在早期的 FET 中，柵極是用金屬製成的，氧化物（二氧化矽（SiO₂））用作絕緣體，因此得名金氧半導體 FET 或 MOSFET。儘管柵極現在通常用多晶矽製造，但這個名稱一直沿用至今。然而，這個名稱仍然存在，MOSFET 通常是 IGFET 的同義詞，但也有一些例外。

MOSFET 基礎

MOSFET 有兩個區域，稱為源極和漏極，它們被高度摻雜。它們嵌入在襯底中，襯底的摻雜方向相反。源極和漏極區域之間的間隙跨越襯底，電流最終將在此間隙中流動。在該間隙（溝道）上放置一層絕緣氧化物，在氧化物之上放置一個柵極接觸點，通常由多晶矽製成。

MOSFET 的工作原理是利用穿過絕緣層的電場來改變該間隙或溝道的一薄層。這種改變可以增加或減少溝道的載流能力。因此，我們有兩種器件——增強型 MOSFET 和耗盡型 MOSFET。根據溝道中矽的型別，MOSFET 可以是 P 型或 N 型。P 型 MOSFET 在導通時在溝道中有 P 型矽。這將在後面更清楚地解釋。

MOSFET 工作原理

NMOS 的橫截面

MOSFET 的工作原理可以根據端點上的電壓分為三種不同的模式。對於 NMOSFET，這些模式是

截止或亞閾值模式

當

$V_{GS}<V_{T}$

其中

$V_{T}$ 是器件的閾值電壓。

此時開關處於關閉狀態，漏極和源極之間沒有導通。雖然漏極和源極之間的電流理想情況下應該為零，因為開關處於關閉狀態，但存在弱反轉電流或亞閾值洩漏。隨著 MOSFET 尺寸的縮小，亞閾值洩漏佔總功耗的比例很大。

三極體或線性區域

當

$V_{GS}>V_{T}$

並且

$V_{DS}<V_{GS}-V_{T}$

開關處於導通狀態，已經建立了一個溝道，使電流能夠在漏極和源極之間流動。MOSFET 像一個電阻器一樣工作，由柵極電壓控制。從漏極到源極的電流是

$I_{D}\approx {\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}{\bigg [}2(V_{GS}-V_{T})V_{DS}-{V_{DS}}^{2}{\bigg ]}$

飽和

當

$V_{GS}>V_{T}$

並且

$V_{DS}>V_{GS}-V_{T}$

開關處於導通狀態，已經建立了一個溝道，使電流能夠在漏極和源極之間流動。由於漏極電壓高於柵極電壓，因此一部分溝道被關閉。這個區域的開始也被稱為夾斷。在第一近似中，漏極電流現在獨立於漏極電壓，並且電流僅由柵極電壓控制

$I_{D}\approx {\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{T})^{2}$

在數位電路中，電晶體只在截止和飽和模式下工作。三極體模式主要與模擬應用有關。

參考

• 半導體