详解NMOS晶体管的工作过程

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

在每一颗芯片的内部，数十亿个晶体管如同高速开合的微型水闸，构成数字世界的最小逻辑单元。以NMOS为例，我们将揭开它如何依靠电场控制电子流动，在“关断”与“导通”之间瞬间切换，并以此写下计算的语言。  

在芯片世界的心脏——中央处理器里，数十亿个微小的“开关”正以每秒数十亿次的速度开合，执行着复杂的计算。其中最重要的一种开关，就是金属-氧化物-半导体场效应晶体管。今天，我们就以NMOS为例，揭开它如何像一道精密的“水闸”一样，通过电压控制电流通断的秘密。

NMOS的“三明治”与“水渠”

想象一个微缩的“三明治”和一道“水渠”：基底是一块特殊的P型硅“土地”，本身富含带正电的“空穴”；源极与漏极是土地上两个充满自由电子的N型“水池”；栅极是横跨上方的“控制闸门”，由金属和一层极薄的绝缘二氧化硅构成；沟道则是源漏之间土地表层的狭窄“水渠”。

这个结构的核心在于：通过改变“闸门”（栅极）上的电压，来控制“水渠”（沟道）的导电性，从而决定两个“水池”之间是否能有电流通过。

状态一：累积态 

闸门关闭，水渠干涸（完全关闭）

当栅极没有加电压或加负电压时，栅极的负电压像一台“吸尘器”，将“土地”表层本来就稀少的自由电子排斥走，同时吸引更多的带正电“空穴”聚集到表面。源极和漏极两个“电子水池”之间，被一段充满正电荷、几乎没有自由电子的“土地”完全隔开。电子无法通过，晶体管处于可靠的“关断”状态。

状态二：耗尽态

闸门微启，抽干水分（临界状态）

当栅极开始施加一个较小的正电压但未达到阈值时，栅极的正电压开始像“抽水泵”一样工作，将“土地”表层的正电荷“空穴”逐渐排斥走，形成一层几乎没有可移动电荷的耗尽层。两个电子水池之间仍然被这个绝缘层阻挡，电流依然无法形成。此时晶体管处于开启的边缘，是从关到开的临界点。

状态三：反型态

闸门全开，水渠通流（强导通）

当栅极电压超过关键值——阈值电压时，强大的栅极正电压成为“强力磁铁”，开始从源极和漏极的“电子水池”中，强力吸引大量的自由电子到沟道表面，其浓度甚至超过了原来的正电荷“空穴”。原本是P型的硅表面，反转为富含自由电子的N型层，形成一条导电沟道，将源极和漏极连通。此时在源漏之间加上电压，电子就能沿着这条“反型”沟道顺畅流动，晶体管进入完全导通状态。

 

一个NMOS晶体管的工作过程完美诠释了“场效应”的精髓：用一个绝缘栅极上的电场，去间接地控制半导体沟道的导电类型和电流大小。

当栅压为负时，表面累积空穴，器件关断；当栅压为正但不足时，表面耗尽，依然绝缘；当栅压超过阈值时，表面反型，形成电子沟道，器件导通。正是这数十亿个微小的晶体管，以纳秒级的速度在“开”与“关”的状态间切换，用“0”和“1”的基本语言，构建了我们整个数字世界。从手机触屏响应到超级计算机的复杂模拟，其最底层的物理基石，都始于这一道精巧电压控制之下，电子之河的“干涸”与“涌流”。