MOSFET原理详解与参数测试（1） / 开普饭

前言：大家都知道今年芯片缺货已经持续很久了，电子元器件缺货影响了很多企业，包括各种的MCU、电源IC和基本的元器件，工作进行了大量的MOS的替代测试，结果就是这颗料能买到还好，最尴尬的就是测试还未完成，供应链就通知你这颗料没货了，，，没货，，了。借此机会整理了MOS的基础知识和测试相关内容，和大家一起相互讨论和学习。

1、MOS的由来

MOSFET又叫场效应晶体管，要想学好MOS管，首先我们要对标三极管来学。我们说，三极管有N管和P管，同样的，MOS管也有N型和P型。这里重点介绍N型MOSFET。

注释1:如何区分NMOS和PMOS？

中间箭头指向G极的是NMOS，箭头背向G极的是PMOS。且体二极管的方向始终与箭头方向保持一致。

管脚

工作条件

相同点

MOS管

G:栅极

D:源极

S:漏极

VGS大于MOS管的开启电压Vth

控制极的电流很小，控制信号的内阻大；

输出极的电流很大，输出信号的内阻小。

三极管

b:基极

c:集电极

e:发射极

Ib、Ic各自必须要有完整的回路，且ic=βib

三极管是一个流控流型的器件，有电流必然会产生损耗，假设三极管这里的β只有10倍，如果Ic要求是100A，Ib至少要是1A，也就是说控制极就要是1A，如果我有10个，那就需要是10A，那这要很大的电源才能提供如此大的控制极电流，这个电路也就无法设计。

既然流控型不行，那么能不能做一个压控型的呢？这个管子的导通不导通只关注电压的阈值，那么这个时候就让电流很小，就能解决这个问题。MOSFET应运而生。

对于MOSFET来说，GS内部有一个电容存在的。充满电后，维持住这个电压，那么就持续导通了。在充电过程中，是消耗电流和产生功耗的；当充电完成后，电容上是没有电流的，没有电流，则没有损耗。那么，这个时候功耗很低了。

我们再来看一下DS，它之间可以等效成一个可变电阻。这个可变电阻，在关断期间时，则阻值无穷大；在开通期间，则阻值无穷小。所以，DS之间也没有功耗，即使一个很大的Id，但是乘以一个无穷小的电阻，它的功耗就很小。那么，这样子也实现了放大，但是功耗也小，这就完美解决了三极管的问题。

2、MOS管的导通过程

2、1栅极无电压

当栅极上没有加偏置电压时，源和漏之间存在两个背靠背的串联二极管。一个是由n+漏区和P型衬底之间的pn结形成的二极管，另一个是p型衬底与n源区之间的pn结形成的二极管。即使DS之间加上电压，但是栅极无偏置电压，这两个背靠背的二极管将阻碍从漏到源的电流的产生。实际上，漏源之间的通路是一个阻值非常高的电阻（在10¹²Ω的数量级）。

注释2：NMOS主要构造

上图中p型衬底是一个为器件提供物理支撑（在集成电路中，它为整个电路提供支撑）的单晶硅圆片。在衬底上创建两个重掺杂的n+源区和n+漏区。在源区和漏区之间，一薄层二氧化硅覆盖在p型衬底之上，在氧化层上沉积一层金属来形成器件的栅极电极。

2、2 施加偏置电压Vth，创建电流沟道

如下图所示，其中源极和漏极都接地，只在栅极（G）上加上一个正电压。因为源极（S）接地，栅极电压就相当于加在栅极和源极之间的V_GS电压。栅极电压首先排斥栅极下面衬底区域中的空穴（带正电），并留下载流子耗尽区域（带负电）。该耗尽区域是与受主杂质原子相关联的带负电的束缚电荷。

同时，正栅极电压从n+源区和n+漏区吸引电子进入沟道区域，当栅极下面的衬底附近积聚了足够数量的电子时，就形成一个n型区，它连接源区和漏区。此时在源区和漏区之间加上电压，在n型区域内就会有移动的电子形成的电流通道，此时电流沟道就创建完成，这种mosfe就称为n沟道mosfet，或称为NMOS。PMOS的形成同理。

在沟道区域积聚足够数量的自由电子形成导电沟道时的电压值称为开启电压/阈值电压，记为Vth。

2、3 施加一个小的V_DS，并逐步增加V_GS

产生沟道后，在源和漏之间施加一个正电压V_DS，V_DS电压引起电流i_D流过n沟道，自由电子从源区向漏区流动，因此电流方向为从漏区指向源区。i_D的大小取决于沟道中电子密度，而电子密度的大小又取决于V_GS的大小。具体的说，当V_GS=Vth时，刚刚形成沟道，此时的电流非常小可以忽略不计。当V_GS超过Vth时，越来越多的电子被吸引到沟道中，造成电子密度逐步增加，沟道深度逐步增加，结果就是导致沟道的电阻减小，流过的电流i_D增加。流出源极的电流就等于流入漏极的电流，而栅极电流为0

所以通过下图我们可以发现MOSFET在V_DS较小时，D-S之间的电阻值与V_GS电压成反比，此时的器件就如同一个线性电阻。

2、4 V_GS保持不变时，逐步增加V_DS

此时仍然假定V_GS大于Vth并保持不变，V_DS相当于沟道长度两端的电压降，也就是说沿着沟道从源区到漏区电压从0逐步增加到V_DS。因此，在栅极和沿沟道的点之间的电压从源端的V_GS减小到漏端的V_GS-V_DS，因为沟道深度取决于此电压，所以此时的沟道深度不在均匀，沟道深度从源区向漏区逐步较小。在源端最深，在漏端最窄。随着V_DS增大，沟道变得越来越尖，并且电阻也相应地增加。因此i_D-V_DS曲线不再是直线。，当V_DS增大到使栅极和漏端的电压差减小为Vth时（即V_GS-V_DS=Vth时），在漏端的沟道深度减为0，沟道被夹断。继续增大V_DS不会对沟道的形状产生太大影响，此时的i_D也达到了饱和不在增加。