芯课堂 ∣ 从原理视角，浅析MOSFET的基本结构和工作原理

MOSFET是一种场效应晶体管，已经发展了60余年。尽管其理论早在二十世纪二十年代就已提出，比双极结构集体管还早二十多年，但是发展较为缓慢，这主要是受半导体材料和工艺条件的限制。

功率 MOSFET 器件主要有两个发展方向。按传统功率半导体的方向，即较高耐压，较低内阻或压降。另一个重要方向是向极低内阻等发展，趋势为高频化、高效应用。

那么何为MOS结构？何为FET？MOSFET又是什么呢？

咱们先从P型半导体和N型半导体讲起。

众所周知，在P型半导体中，多数载流子是空穴，P型半导体里面有很多不可移动的空穴。在N型半导体中，多数载流子是电子，N型半导体里面有很多可以导电的电子。

半导体的基础材料是硅晶体，硅在化学元素周期表里是四族元素，硅从微观上看每个原子最外层有4个电子。外层4个电子的物质处于稳定状态。在硅晶体里，两个电子结合形成更为稳定的共价键。

如果在硅晶体里掺入了三族元素，三族元素最外层3个电子，跟硅结合的时候，共价键上就会缺一个电子。根据电子的热力学运动原理，某个共价键上的电子可能摆脱束缚移动到空穴位置上来，宏观上看好像是空穴产生了移动，由于空穴表现正电荷，空穴的英文称为positive holes，这种半导体就称之为P型半导体。

同样，在硅晶体里掺杂五族元素后，共价键上就会多出一个电子，这个电子可以在半导体内自由移动，形成导电的电子，即negative electrons。掺杂五族元素的半导体称为N型半导体。

如果把P型半导体放入一个电场中会发生什么呢？

根据初中物理知识可知，同电荷排斥，异电荷相吸。如下图P型半导体左右两侧为电极板，电子会被吸引到正电极侧，空穴被吸引到负电极侧，这种效应称为电场效应（Field Effect），依据这种电场所发明的半导体器件称为场效应管，即Field Effect Transistor ，简称FET！简单讲，其就是由P型半导体和N型半导体所构成的PN结组成。

为了方便产生一个电场，科学家们创造了一种像三明治的结构，即金属-氧化物-半导体。最上层是金属，一般是铝化合物，中间层是氧化物，一般是氧化硅，衬底就是P型半导体。这种器件被称为Metal Oxide Semiconductor，简称MOS。

一个MOS结构可以等效为一只平板电容，其中栅极和衬底作为两个电极，氧化层作为电介质，在半导体衬底中的载流子浓度和分布可由栅极和衬底之间的外加电压控制。

MOSFET，其实就是MOS和FET的组合，全称是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管，是一种通过场效应控制电流的半导体器件，用金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应去控制半导体(S)的场效应晶体管，是最基础的电子器件。在一般的电子电路中，MOSFET通常被用于放大电路或开关电路。

在一块掺杂浓度很低的半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并且用金属铝引出两个电极，分别为漏极 D 和源极 S，然后在漏极和源极之间的 P 型半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层膜。在这个绝缘层膜上装一个铝电极，作为栅极 G。栅极和其他电极之间是绝缘的，这就构成了一个 N 沟道（NPN 型）增强型 MOS 管。

用上述同样的方法用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，以及上述相同的栅极制作过程，就构成了一个 P 沟道（PNP 型）增强 MOS 管。

MOS 管的工作原理就是在栅极 G 和源极 S 及漏极 D 和源极S之间分别加正电压 Vgs和 Vds，以此产生正向工作电流 Ids。若在栅-源极之间加上正电压，即 Vbs>0，则栅极和硅衬底之间的二氧化硅绝缘层之间会产生一个栅极指向衬底的电场，因为氧化物是绝缘的，所以没有办法形成电流，这样氧化物层的两边就形成了一个电容。

MOS 管的驱动实际上就是对电容的充放电。随着 Vgs 逐渐升高，受栅极正电压的影响，在电容的另外一边聚集大量电子并形成了从漏极到源极的导电沟道。当 Vgs 大于开启电压时，沟道开始导通，形成漏极电流 Id。利用 Vgs 来控制感应电荷的多少，以改变由这些感应电荷形成的导电沟道的状况，达到控制漏极电流的目的。

MOS 管作为开关管的应用，在饱和导通之后也存在一个阻值很小的电阻 Rds，这个电阻等效一个线性电阻，这样的线性元件可以并联应用，于是就有了自动平衡电流的作用。

总的来说，MOSFET技术发展至今大约已经占了今天微芯片的99%，它的发展与进步在很大程度上减少了能源的损耗，这对为人类地球长远发展有着极为重要的意义。