MOSFET的结构、电学符号和电学特性

为什么要学MOSFET?

现在所有电子产品中的芯片、放大器中的基本结构就是MOSFET，学好MOSFET是理解这些芯片、放大电路的前提。

学习MOSFET之前需要具备哪些知识?

基本电路的电路知识包括：电阻、电容、电感的知识、KCL、KVL、戴维南等效电路、诺顿等效电路等。

全文内容：

MOSFET的结构

MOSFET的电学符号和电学特性

1、MOSFET的结构

MOSFET的名字就反应了本文要讲的内容：M-Metal-导体，O-Oxide-氧化物(绝缘体)，S-Semiconductor-半导体，F-Field，E-Effect，T-Transistor -场效应晶体管。 前三个字母反应了它的结构，MOSFET就是由导体-氧化物-半导体三层结构组成的器件，而后三个字母则反应了他的工作特性，它是一个感应电压的晶体管。

Fig. 1 MOSFET的结构

第一眼看到图Fig.1会感觉有些复杂，没关系不要紧，我们从简单的一点点来分析，首先看图Fig. 2，这是一个简单的我们假想的半导体器件，虽然是假想的，但是不妨碍我们对其原理进行理解。 这个我们意淫的器件同样是由导体、绝缘体、半导体三层结构组成，这个半导体是P型掺杂的还是N型掺杂的我们先不管，这里我们以P型掺杂的半导体为例。

Fig. 2 一个简单的假想的半导体器件

看Fig. 3左图，如果我们在导体和半导体两端加电压V1，因为有绝缘体在中间整个器件没有电流通过，但此时你有没有发现这个器件就是一个电容，导体和电源正极相连带正电荷，P型掺杂的半导体本来能用来导电的自由电子很少，但由于和电源负极相连，自由电子都聚集到和绝缘体相接的表面。 这个自由电荷聚集的区域我们称为沟道，此时，沟道中没有电流，只有电荷，其电荷数量为

Fig. 3 加电压

这里的V就是V1，C就是导体和半导体形成的电容，知道了这个原理，我们可以得到下面两点初步的认识：

①当V1变大，电荷数量Q变大，沟道中自由电荷的密度增大;

②当绝缘体的厚度t_ox下降，则电容C变大，电荷数量变大，沟道中自由电荷的密度增大。

看Fig. 3右图，当在沟道的两端加电压V2，因为沟道中本身存在可以自由移动的电子，此时在沟道中就形成了电流。 当V1增大时，电荷密度增加，导致沟道两端之间的电阻变小，导致电流增大。

有了上面的理论基础我们回过头来再看Fig. 1，是不是感觉亲切了很多，但是和Fig. 3图相比，Fig. 1有四点值得注意：

①该器件在下面的P型半导体基板上注入了两块重掺杂的N型半导体。 这是因为N型半导体能提供自由电子，对沟道中的电流传导有好处;

②所有的电压都是在上面加的，这是因为所有的MOSFET器件是做在晶圆上的，晶圆片的示意图如图Fig. 4，其中蓝色的小方格表示一个个小器件，所以，电压只能从上面加，不可能从侧边和下面加。

Fig. 4 晶圆片示意图

③Fig. 3有图有4个端口，即V1的两个端口和V2的两个端口，而Fig. 1只有源级S、漏极D和栅极G三个端口，这是因为习惯上把最下面的半导体基板作为参考电压为零，没有画出来。 而且受源级S、漏极D和栅极G三个端口电压的影响，沟道两边的电压是不均匀的，靠近源级一侧的电压为V_GS，而靠近漏极一侧的电压为V_GD。

④MOSFET器件是对称的，哪一端是源级，那一端是漏极呢? 对于Fig. 1的MOSFET(NMOS)来说，两个N型掺杂半导体上加电压低的一端是源级，这是因为NMOS靠电子导电，从电压低的一端流到电压高的一端，电压低的一端为电子的“源泉”。 (PMOS后面再讲)

2、MOSFET的电学符号和电学特性

① 电学符号

Fig. 5 左为物理结构，右为电学符号

Fig. 5中左图为MOSFET的物理结构，右图为其电学符号，这里我画了4个是为了无论这个符号在电路图中怎么摆放，大家都应该认识。 这里要大家特别注意的是：符号中的箭头不是栅极或漏极的标志，因为MOSFET是对称的，哪一端是漏极或栅极需要看所加电压的大小。 这里的箭头只是区别NMOS还是PMOS，NMOS箭头向外如图中所示，PMOS箭头向里(后面再讲)。 一个简单的记忆方法是，箭头总是从P型半导体指向N型半导体(和二极管的箭头类似)。

② 电学特性

研究一个器件最直接的一种方法就是在各个端口加电压，然后看看各个端口电流的一些性质，也就是研究该器件各个端口的伏安特性曲线。

Case I：如图Fig. 6，在MOSFET栅极加电压，V_G>0，V_S=V_D=0。 此时在沟道中聚集了电荷，电荷密度会随着V_G的增大而增大，但是没有电流。 

图6 案例I

Case II：如图Fig. 7，在MOSFET栅极和漏极加电压，V_G>0，V_D>0，V_S=0。 此时，V_G试沟道聚集了电荷，当V_G>V_TH时，电荷数量聚集达到一定程度，再当V_D>0时，在电压的驱动下自由电荷运动形成电流。

图7 案例二

伏安特性：① 当V_G>V_TH为常数时，从直观上来看流过沟道的电流I_D随着V_D的增大而增大。 ② 当V_D为常数时，因为V_G越大，沟道中聚集的电子数量越多，相当于从沟道一端到另一端的电阻越小，那么从直观上来看流过沟道的电流I_D也会增大。

那具体I_D和V_G、V_D是什么关系呢? 线性关系还是非线性关系呢? 表达式是什么呢? 咱们下回分解。