栅电场改变沟道
MOSFET属于场效应晶体管,主要信号端子是栅极、源极和漏极,器件物理还涉及体区或衬底。栅极与半导体之间隔着很薄的绝缘层,栅电压通过电场改变表面的载流子分布,而不是像一条导线那样直接向沟道注入控制电流。
以增强型N沟道器件为例,足够的正栅源电压会在P型体区表面形成电子占优势的反型沟道,使源、漏之间能够导电。P沟道器件的载流子和偏置方向相应不同。增强型在零栅源偏置时通常关闭,耗尽型则可在零偏置下导通。MOSFET是器件类别,CMOS是利用互补N、P沟道器件的电路与工艺体系,两者不是同义词。
三个区域不是三种器件
在常用长沟道近似中,对体源适当连接、漏源电压为正的增强型NMOS,栅源电压低于阈值时归入截止区。实际仍存在亚阈值和漏电流,所以“截止”不是对电流严格为零的保证。栅源电压超过阈值、漏源电压较小时,器件进入线性区,也称三极管区,沟道呈现受栅电压控制的导电能力。
当漏源电压增加到约等于栅源电压减阈值电压时,漏端附近沟道发生夹断,进入饱和区。夹断不等于没有电流;理想模型下电流对漏源电压不再强烈变化,真实器件还受沟道长度调制等因素影响。这一分区是有假设的模型,不能把简化边界当作所有短沟道或功率器件的精确曲线。
开关导通与模拟放大
作为低损耗开关,MOSFET通常希望在关闭时截止,在接通后进入低导通电阻状态。数据表的栅阈值电压只对应规定测试电流下开始导通的条件,不保证已经能带动目标负载。应查看实际栅驱动电压下的导通电阻及电流、散热限制,不能看到控制电压略高于阈值便认为设计完成。
模拟放大则可把静态工作点设在饱和区,让小幅栅源电压变化引起漏电流变化,再由负载转为输出电压。MOSFET的“饱和”与双极结型晶体管作为开关时所说的饱和含义不同;把两类器件的术语机械对照,会误判适用的放大状态。大幅信号仍可能把工作点推离原区域而产生失真。
绝缘栅仍需要驱动能量
栅极直流电流很小,不意味着开关时无需能量。驱动器需要反复给栅源、栅漏相关电容充放电;栅电荷和米勒效应会影响过渡时间。切换期间漏源电压与漏电流同时存在,还会造成开关损耗,因此低导通电阻不是高频效率的唯一决定因素。
常见功率MOSFET还有体二极管,反向电流可能经过它,关断沟道并不意味着两个方向都完全阻断。薄栅绝缘层也带来静电损伤风险,需要合适保护,不能把高输入电阻理解为无限耐受外部电压。实际使用须同时考虑驱动、寄生器件、安全工作区和热条件,而不只使用一个理想开关符号。