图说MOSFET

如果说晶体管能够被称为20世纪最伟大的发明，那么毫无疑问，MOSFET在其中功不可没。
1925年，关于MOSFET基本原理的专利发表，1959年贝尔实验室发明了基于此原理的MOSFET结构设计。时至六十年后的今天，大至功率变换器，小至内存、CPU等各类电子设备核心元件，无一不用到MOSFET。但无论是书本上还是网络的资料上，基本都讲得让初学者云里雾里，什么沟道，载流子，夹断，耗尽层等，专业术语晦涩难懂，更不要说工作原理了。初学模电的时候也仅仅是把MOSFET当成一个简单的压控开关，对于其具体原理一窍不通，只能直呼“玄学模电“。直到现在系统地学习了半导体器件，才开始对于MOSFET有了比较深入的认识。
自己初学MOS的时候一头雾水，回过头来希望帮助到后来学习的人。因此这篇文章主要是分享给想了解像MOSFET这类半导体器件工作原理的同学们，希望用更简单易懂的方式讲解给大家。
本文主要涉及到的内容有：

半导体物理最基本的概念：载流子、沟道、耗尽层、反型层
MOSFET工作基本原理
MOSFET工作特性分析
MOSFET命名与符号理解

好了，正文开始。
基本概念-半导体

金属材料可以导电，绝缘材料不导电，那怎么样实现一个东西既能够导电又能够不导电？那就是半导体。MOSFET作为一种半导体器件，我们需要它实现的功能按最简单话来说就是既能够实现电路的通，又能够实现电路的断。放在数字电路里，这就是实现0和1的方式，在功率电路里，这就是实现PWM转换器工作的基本手段，这都是后话。
如何实现通？当材料内部具有自由移动的电子（负电荷）或者空穴（正电荷）的时候就是导通的（假如说电子或空穴被晶格束缚，那么同样无法导电），存在载流子的时候材料是导通的。如何实现断？那就是将一定区域内的自由载流子去除，材料就不能够导电了，从而达到阻断电流的作用。
我们目前用得最多的半导体材料，比如硅（Si），是Ⅳ族元素，本身最外层电子为4，可以形成稳定的晶格结构，因此它本身是无法导电的，如下图所示，所有电子和原子核都被牢牢束缚在稳定的结构中出不来，所以没有自由移动的电荷。

稳定的Si结构

而当材料中掺杂了其他元素，比如说Ⅲ族或者Ⅴ族元素，甚至其他元素，取代了晶格中的位置。掺杂Ⅴ族元素，结构中就有了除了最外层4个以外的一个电子（即多数载流子为电子），掺杂了Ⅲ族元素，结构中就缺了一个电子构成稳定结构，即形成一个空穴（即多数载流子为空穴）。如下图所示，左图为掺杂Ⅴ族元素的示意图，Ⅴ族元素最外层有五个电子，四个电子参与形成共价键，因此还剩余一个电子；右图为掺杂Ⅲ族元素的示意图，Ⅲ族元素最外层有三个电子，只有三个电子用于形成共价键，因此留下一个空穴。为了方便，可以直接将电子和空穴理解成负电荷和正电荷。

掺杂后的结构

由于带电粒子在电场中会发生移动，假如在电场的作用下，使得结构中的电子和空穴都跑掉了，那么这个区域不存在自由移动的载流子，因此区域就不再导电，这样的区域称为耗尽区（载流子被电场耗尽）。牢牢记住，耗尽区内不存在自由移动的载流子，因此是断开状态。MOS的核心原理就是利用电场的作用，使得一定区域时而导电时而断开。以下进入正题！
MOSFET核心部分

提起MOSFET，我们不禁要问，为什么叫MOSFET？

MOSFET全称Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。即金属氧化物半导体场效应晶体管。

名字一长串，一看就记不住。相信大家跟我应该是一样的感觉。但这个名字实际上是跟其结构息息相关，只要理解它，记住并不是难事。为什么这么说，我们看下图中的核心结构（这不是MOSFET，仅仅是取其中局部进行讲解）。从上往下依次是金属、氧化层、掺杂的半导体材料，连起来不就是Metal-Oxide-Semiconductor了吗，有其名必有其因。

平行极板模型

那何为Field-Effect Transistor？
这里的Field自然指电场，所以FET实际上就是指这种器件是电场驱动的晶体管。如果在上下极板加上正电压，就会在材料中建立电场，如下图所示，其中绿色的线为电场线。

由于图中这里所示为P掺杂（Ⅲ族元素掺杂），红色区域中存在空穴（也就是正电荷），在外加电场的作用下，正电荷就会往下离开，从而在上表面形成不含有自由载流子的区域，也就是耗尽区（depletion region）。

耗尽层的形成

而施加的电压足够高时，将把耗尽层内的空穴进一步驱赶，并吸引电子往上表面运动，在上表面堆积可以导电的电子，从而形成N型半导体，从而形成反型层（Inversion layer, 之所以叫反型层是指在电场作用下，该区域内的自由载流子与掺杂形成的半导体载流子相反）。一般我们将开始形成反型层时施加的电压称为，即门槛电压。反型层也就是我们后面要提到的导电沟道（沿水平方向形成导电沟道）。这到底和MOSFET工作有什么关系？别急，下面就来分析。

反型层的形成

在维基百科上看到的导电沟道形成的图很有意思，分享给大家

反型层形成仿真图

MOSFET工作原理

以平面增强型N沟道MOSFET为例，基本结构如下图所示。可以看到，从左到右为NPN的掺杂，在扩散作用下，会自然形成像图中所示的深红色的耗尽区(depletion region)，根据前面所述，耗尽区是不能导电的，因此漏极(Drain)到源极(Source)在未加外加电场的时是断开的，因此该结构是Normal off的结构。

MOSFET normal off

注意到，图中正中心区域就是之前讲的核心部分，从上往下，橘黄色，黄色，浅红色依次为金属、氧化物、P掺杂。那么又是如何控制MOSFET导通的呢？利用沟道。
当，会开始在氧化层下面首先形成新的耗尽层（depletion region)，如下如所示。

耗尽层形成

当，形成反型层，如下图所示。

反型层形成

由于反型层相当于N掺杂的半导体，因此D和S直接直接连通，因此MOSFET导电沟道形成，进入导通状态。
MOSFET输出特性

如下图所示为增强型N沟道MOS输出特性，相信大家应该看过很多遍了，本来想详细讲一讲，篇幅不想太长，简单说一说吧。

对于上图所示的MOS，有三种工作区域

夹断区(cutoff mode)
当时MOS处于此工作区域，基本处于断开状态，但是此时仍存在较微弱的反型层，存在漏电流，其大小电流满足
线性区(linear mode)
当且时为此区域，电流满足
饱和区(saturation mode)
当且时为饱和区，电流满足

其实上面的内容都是教科书上能够找到的，并不是我想谈的内容，所以就草草掠过，要想真正搞清楚细节，还得看书才行。
MOSFET符号与命名

前面仅仅是谈到了增强型P沟道的MOSFET，而实际上的MOSFET是一个大家族，还有很多兄弟姐妹，下图中除了JFET以外都是MOSFET。这么多符号怎么记住呢？有规律！

MOSFET大家族

门极符号
MOSFET不同于JFET，在Gate是不与导电沟道相连的，是有一层氧化绝缘层的，因此从符号中可以看出，MOSFET中Gate和沟道是由缝隙的，也就是有两条竖线，或者一条竖线与三段虚线，而JFET则是一条竖线。另外，细心的你可能还会发现，有的Gate形状为“L”，有的则是“T”，如果是“L”，意味着Gate和Source在物理结构上靠得更近。
沟道形状
增强型MOSFET在未加外部电压时为断开(normal off)，而耗尽型MOSFET则在未加外部电压时为导通（normal on）。所以增强型MOSFET的沟道为三段虚线，意味着还未导通，而耗尽型MOSFET的沟道则是一条直线。（不过no bulk的不满足这个说法，具体原因还不清楚，这是维基百科的图，作者不才，还望诸位告知）
箭头方向
对于含有bulk connection的MOSFET，区分P沟道与N沟道就是靠箭头方向。箭头方向遵循一个准则，P指向N，如果沟道是P，则由沟道指向外，如果沟道是N，则由外指向沟道。
总结

MOSFET内容远非这么多，学海无涯。希望能给大家带来帮助~
参考文献
[1] Wikipedia contributors. (2019, January 4). Doping (semiconductor). InWikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 06:04, January 29, 2019, fromhttps://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Doping_(semiconductor)&oldid=876839034

jomjd · 2022-6-7 14:04:23

总结的不错

_labw · 2022-6-7 14:05:09

谢谢！写得很好，非常感谢！[赞同][赞同][赞同][赞同]

name_sou · 2022-6-7 14:05:27

写的由浅入深，不错不错！！

mwgev · 2022-6-7 14:06:22

写的很好[赞]

m2i1_ · 2022-6-7 14:07:21

非常强！

iuq · 2022-6-7 14:07:29

总结的浅显易懂，便于理解。不过耗尽型MOSFET应该是Vgs=0时便存在导电沟道，因为制造过程中预先在SiO2氧化层中掺入了大量的正离子。文中举例的应该是增强型MOSFET。

吴宇 · 2022-6-7 14:08:03

多谢补充

6yaae · 2022-6-7 14:08:50

请问为什么会产生线性区与饱和区呢？这两个的分界点是什么？

lirrs · 2022-6-7 14:09:42

请问沟道夹断后的地方应该就是耗尽区，为什么仍然有电流(稳定的饱和电流)通过？

c7dnp · 2022-6-7 14:10:28

好！

vl6mh · 2022-6-7 14:10:34

写得深入浅出，很好，我担保机械类专业的人看不懂，文科生更看不懂
[干杯]

739u · 2022-6-7 14:11:15

我觉得是我看到的讲的最清楚的了

吴宇 · 2022-6-7 14:11:58

多谢。

吴宇 · 2022-6-7 14:12:05

还没看就以及先点赞为敬了！

itoner · 2022-6-7 14:12:25

我想说工作原理部分说的是增强型而不是耗尽型吧

bw1t6 · 2022-6-7 14:12:53

有么有夹断区的高阻使电流不会随Vds变化

78rsu · 2022-6-7 14:13:32

电场扫描

eefee · 2022-6-7 14:14:17

什么是扩散作用

9yexu · 2022-6-7 14:15:07

很好理解感谢[赞同]

6ek90 · 2022-6-7 14:15:46

每看一次都会有收获，文章梳理的有助于记忆
[欢呼]

图说MOSFET

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