MOS管的工作原理

MOSFET，全称为metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,翻译过来，就是金属氧化物半导体场效应管。metal-oxide-semiconductor指出了MOSFET的基本结构，field-effect这指出了MOSFET的工作原理。field-effect即代表是电场效应起了作用。

和BJT一样，也是出自贝尔实验室，它是贝尔实验室的Mohamed M.Atalla和Dawon Kahng与1959年发明，并在1960年亮相。

要理解MOSFET的工作原理，先从电容开始。

假设现在有这样一个结构，这个结构主要包括以下三个部分：导体板，绝缘体和掺杂过的硅(假设为p型掺杂的硅)。如下图所示。这样就形成了一个电容。P型掺杂硅虽然导电性没那么好，但是其内部还是会存在少量的自由电子。

然后给电容结构施加外置电压，使得金属导体板的电势高于P型掺杂的硅。

那这个时候，会发生啥呢？

这个时候，金属导体板上会产生正电荷，而由于外接电压产生的电场，P型掺杂硅上则相应的会有负电荷（即电子）产生。而且这些电子是自由的，称这些自由电子，为channel，即通道。

也就是说，这些自由电子的出现，相当于形成了一个导电通道，如果电子密度足够高的话。

由Q=CV可知：

(1) 如果C恒定，则V1增加，Q增加，即自由电子的密度变大；

(2) 如果绝缘层的厚度变薄，C变大，则Q也增加，即自由电子的密度也变大。

如果，现在在P型掺杂硅的两侧加上电极，并且施加外置电压，这样电子就会从左侧流向右侧，即电流从右侧流向左侧。如果增加电压V1，由Q=CV1可知，P型硅与绝缘体接触面上的自由电子密度增加，即通道的电阻变小，则相同的电压V2下，电流变大。

也就是说导体板和P型掺杂硅两端的电压V1可以控制在P型掺杂硅内部流过的电流的大小，这边需要注意的是，这个流过的电流主要从通道流过，而不是整个硅体，因为电流路径总是找阻抗最小点，而通道是电阻最小的地方。

P型掺杂硅两边的电极在两侧，不利于MOSFET在晶圆上加工，所以需要对上述结构进行微调。那怎么微调呢？我们可以把这两个电极移到TOP面来就可以啦。如下图所示。

导体板为G(删极)，虽然MOSFET早期是用金属做的栅极，但是现在基本都用多晶硅了。

栅极和衬底之间的绝缘层则是通过在硅区域顶部生长二氧化硅形成的。

源极和漏极通过两个重掺杂的n+型区域，与P型衬底连接，而且S和D是相互对称的，也就是说可以互换的。这和BJT有所区别，BJT的E极和C极掺杂程度是不一样的，所以不能互换的。

P衬底通过重掺杂的p+型区域，与外界连接。

从下图可知，一个MOSFET包含四个端子，即栅极，源极，漏极和衬底（有时称之为substrate,有时称之为bulk或者body）。不过，衬底一般会连接上固定电压，所以一般情况下，并不会太在意他。

MOSFET管的符合如下图所示。

如果是四端表示，则箭头出现在衬底上，且从B指向G的为NMOS，箭头从G指向B的称为PMOS。

如果是三端表示，即省略衬底B，则有箭头的一端为S，另一端为D；当箭头从G指向S时，称为NMOS；当箭头从S指向G时，称为PMOS。

而razavi书上，用的都是三端表示，如下图中红框内所示。

那上面图中，对于同一种NMOS，两种符号的箭头方向确不一样。我想，可以以下面这幅图，帮助记忆。发现，是不是其实联系起来看的话，这两种箭头方向代表的方向是一致的，都是PN结的方向，只不过所处的位置不一样，所以在标志上表现出来的方向不一样。