MOSFET(1)-基本概念
MOSFET (1) - 基本概念
【公开课】普渡大学 - 晶体管基础（双字，Fundamentals of Transistors，PurdueX）
基本图像
晶体管主要可以分为两大类，双极性晶体管（BJT）（三极管）和场效应晶体管（FFT）。 晶体管有三个端，三级管的三个极，分别是由N型、P型半导体构成的发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）；场效应晶体管的三个极，分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。从外部来看，晶体管就是一个有三个端的黑盒，terminal 1和terminal 2分别是电流的输入端和输出端，control端控制着电流的流动。
对于P型的MOSFET来说，它的基本工作图像就是源极作为电子的来源，发射电子，漏极作为电子流出的出口，栅极处在源极和漏极之间，控制两极之间的电子流动。将栅极电压提高到某一个值的时候，MOSFET就被打开，电子在源极和漏极之间流通。
电流电压特性
因为晶体管实际暴露出来的就是几个端，在电路里就可以把它当作黑箱，因此我们感兴趣的、或者可以描述这个MOSFET性质的，就是流过这个FET的电流大小与我们给这三个终端施加电压的关系。
我们把上面这种结构叫作共源 (common-source)结构，因为源极既与Input端相连，又与Output端相连. 传输特性 (transfer characteristics)描述了在源极和漏极之间的电压保持不变时，流入漏极的电流和施加的栅极电压之间的关系，即在输出电压保持不变时，输出电流和输入电压之间的关系； 输出特性 (output characteristics)描述了在栅极和源极间的电压保持不变时，流入漏极的电路和源极和漏极间施加的电压的关系，即在输入电压保持不变时，输出电流和输出电压之间的关系.
输出特性
输出特性即在不同的固定的栅极电压下输出电流和源漏极之间电压的关系。在\(V_{DS}\)较小时，MOSFET体现出电阻的特性，输出电流\(I_D\)基本随着\(V_{DS}\)的增加而线性增加，我们将这一段称为线性区. 当\(V_{DS}\)增加到某一个值时，我们将这个临界电压值称为\(V_{DSAT}\) (Drain Saturation Voltage)，继续增加\(V_{DS}\)，MOSFET体现出电流源的性质，随着\(V_{DS}\)的增加输出电流\(I_D\)基本保持不变，我们将这一段区域称为饱和区.
传输特性
传输特性曲线是在输出电压确定时，栅极输入电压和输出电流之间的关系，相当于左图中横轴固定的某一点，作一条竖线与各个输出特性曲线相交. 可以看到在栅极电压输入电压很小的时候，此时无论源极和漏极之间的电压是多少，都不会有电流流动，我们把这个栅极电压叫作阈值电压 (threshold voltage). 只有把栅极电压加到大于阈值电压后，才能让电流流动.
FET的分类
可以按照不同的方式对FET进行分类。根据沟道载流子的类型，可以分为N型半导体和P型半导体，N和P表示negative或者positive. N型半导体中沟道层的载流子是电子，从源极产生流入到漏极. 因此栅极电压越正，导电能力越强. 而P型半导体沟道层中的载流子是空穴，因此栅极电压越负，导电能力越强，以更强地吸引空穴. 同时，根据根据零栅压时晶体管的状态，我们可以进一步将器件分为耗尽型和增强型器件. 耗尽型，也称为常开型，即在栅压为0时存在导电沟道，晶体管状态为开，必须施加栅压抑制导电沟道，来关闭晶体管. 增强型，也成为常闭型，即在栅压为0时沟道层的电导率很小，必须施加栅压才能让电流流通，来打开晶体管.
一个小例子
Chatterjee B, Dundar C, Beechem T E, et al. Nanoscale electro-thermal interactions in AlGaN/GaN high electron mobility transistors[J]. Journal of Applied Physics, 2020, 127(4): 044502.
这个工作分析的器件是耗尽型的GaN HEMT，HEMT (High Electron Mobility Transistor) 也是一种场效应管 (FET)，即也是通过电场来控制沟道的导通与否的，栅极、漏极及源极的电压电流特性都是类似的. MOSFET特指绝缘层是热生长的氧化层的FET. GaN HEMT的特点是GaN沟道层和其上面薄薄的一层三元\(\text{Al}_x\text{Ga}_{1-x}N\)合金的界面处会形成一层二维电子气，电子密度极高，这种特性大大降低了源漏端的接触电阻，加上GaN的高电子迁移率，GaN HEMT具有非常好的电学性能，可以实现高功率输出以及表现出优越的高频性能.
由于即使在强极化电场作用下，AlGaN/GaN异质结之间仍能保持极高的面电荷密度，因此GaN HEMT是天然的N型耗尽型器件. 即在零栅压状态下沟道是导通的，靠电子导电. CMOS电路是一种应用很广泛的电路，用PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成，来构成一个门电路. 由于GaN很难制备出P型器件，因此无法像Si器件一样制作互补的CMOS电路. 基于这一考虑有很多对于增强型GaN器件的研究，希望采用增强型GaN基器件来替代P型沟道器件从而实现互补的数字逻辑电路.
对于N型耗尽型的器件，\(V_{\text{GS}}=0\)时就存在一般情况下的输出特性曲线了，\(V_{\text{GS}}\)越正，输出曲线越高. 只有\(V_{\text{GS}}\)比阈值电压更负时，才能把晶体管关上. 上面的图(a)就描述了这样的一个事实. 后面几张图主要是要说明器件温度分布的 "bias dependence"，即沟道层的温度分布不止取决于器件的总功率，还与器件的工作状态有关，即施加的\(V_{\text{GS}}\)和\(V_{\text{DS}}\)有关. 图(b)和图(e)是\(V_{\text{GS}}=-1\mathrm{V}, V_{\text{DS}}=23\mathrm{V}\)时器件的产热及温度分布，图(c)和图(f)是\(V_{\text{GS}}=2.5\mathrm{V}, V_{\text{DS}}=7.5\mathrm{V}\)时器件的产热和温度分布，可以在图(a)中对一下，此时的总热耗散率都是\(250\,\mathrm{mW}\). 但在图(b)(e)的情况，即沟道部分"夹止" (pinched-off)时，焦耳热高度集中在栅极下靠近漏极的一端. 而在图(c)(f)的情况，即沟道完全导通时，焦耳热的分布就相对均匀. 这表明单纯用功率做变量来建立HEMT的热模型是有问题的.