MOSFET理解與應用(Lec 1)

為什麼要學MOSFET?

現在所有電子產品中的晶片、放大器中的基本結構就是MOSFET，學好MOSFET是理解這些晶片、放大電路的前提。

學習MOSFET之前需要具備哪些知識？

基本電路的電路知識包括：電阻、電容、電感的知識、KCL、KVL、戴維南等效電路、諾頓等效電路等。

本文內容：

MOSFET的結構MOSFET的電學符號和電學特性——————————————————————————————————————————————

1、MOSFET的結構

MOSFET的名字就反應了本文要講的內容：M-Metal-導體，O-Oxide-氧化物（絕緣體），S-Semiconductor-半導體，F-Field，E-Effect，T-Transistor -場效應電晶體。前三個字母反應了它的結構，MOSFET就是由導體-氧化物-半導體三層結構組成的器件，而後三個字母則反應了他的工作特性，它是一個感應電壓的電晶體。

Fig. 1 MOSFET的結構

第一眼看到圖Fig.1會感覺有些複雜，沒關係不要緊，我們從簡單的一點點來分析，首先看圖Fig. 2，這是一個簡單的我們假想的半導體器件，雖然是假想的，但是不妨礙我們對其原理進行理解。這個我們意淫的器件同樣是由導體、絕緣體、半導體三層結構組成，這個半導體是P型摻雜的還是N型摻雜的我們先不管，這裡我們以P型摻雜的半導體為例。

Fig. 2 一個簡單的假想的半導體器件

看Fig. 3左圖，如果我們在導體和半導體兩端加電壓V1，因為有絕緣體在中間整個器件沒有電流通過，但此時你有沒有發現這個器件就是一個電容，導體和電源正極相連帶正電荷，P型摻雜的半導體本來能用來導電的自由電子很少，但由於和電源負極相連，自由電子都聚集到和絕緣體相接的表面。這個自由電荷聚集的區域我們稱為溝道，此時，溝道中沒有電流，只有電荷，其電荷數量為

Fig. 3 加電壓

這裡的V就是V1，C就是導體和半導體形成的電容，知道了這個原理，我們可以得到下面兩點初步的認識：

①當V1變大，電荷數量Q變大，溝道中自由電荷的密度增大；

②當絕緣體的厚度t_ox下降，則電容C變大，電荷數量變大，溝道中自由電荷的密度增大。

看Fig. 3右圖，當在溝道的兩端加電壓V2，因為溝道中本身存在可以自由移動的電子，此時在溝道中就形成了電流。當V1增大時，電荷密度增加，導致溝道兩端之間的電阻變小，導致電流增大。

有了上面的理論基礎我們回過頭來再看Fig. 1，是不是感覺親切了很多，但是和Fig. 3圖相比，Fig. 1有四點值得注意：

①該器件在下面的P型半導體基板上注入了兩塊重摻雜的N型半導體。這是因為N型半導體能提供自由電子，對溝道中的電流傳導有好處；

②所有的電壓都是在上面加的，這是因為所有的MOSFET器件是做在晶圓上的，晶圓片的示意圖如圖Fig. 4，其中藍色的小方格表示一個個小器件，所以，電壓只能從上面加，不可能從側邊和下面加。

Fig. 4 晶圓片示意圖

③Fig. 3有圖有4個埠，即V1的兩個埠和V2的兩個埠，而Fig. 1隻有源級S、漏極D和柵極G三個埠，這是因為習慣上把最下面的半導體基板作為參考電壓為零，沒有畫出來。而且受源級S、漏極D和柵極G三個埠電壓的影響，溝道兩邊的電壓是不均勻的，靠近源級一側的電壓為V_GS，而靠近漏極一側的電壓為V_GD。

④MOSFET器件是對稱的，哪一端是源級，那一端是漏極呢？對於Fig. 1的MOSFET（NMOS）來說，兩個N型摻雜半導體上加電壓低的一端是源級，這是因為NMOS靠電子導電，從電壓低的一端流到電壓高的一端，電壓低的一端為電子的「源泉」。（PMOS後面再講）

2、MOSFET的電學符號和電學特性

① 電學符號

Fig. 5 左為物理結構，右為電學符號

Fig. 5中左圖為MOSFET的物理結構，右圖為其電學符號，這裡我畫了4個是為了無論這個符號在電路圖中怎麼擺放，大家都應該認識。這裡要大家特別注意的是：符號中的箭頭不是柵極或漏極的標誌，因為MOSFET是對稱的，哪一端是漏極或柵極需要看所加電壓的大小。這裡的箭頭只是區別NMOS還是PMOS，NMOS箭頭向外如圖中所示，PMOS箭頭向裡（後面再講）。一個簡單的記憶方法是，箭頭總是從P型半導體指向N型半導體（和二極體的箭頭類似）。

② 電學特性

研究一個器件最直接的一種方法就是在各個埠加電壓，然後看看各個埠電流的一些性質，也就是研究該器件各個埠的伏安特性曲線。

Case I：如圖Fig. 6，在MOSFET柵極加電壓，V_G>0，V_S=V_D=0。此時在溝道中聚集了電荷，電荷密度會隨著V_G的增大而增大，但是沒有電流。

Fig. 6 Case I

Case II：如圖Fig. 7，在MOSFET柵極和漏極加電壓，V_G>0，V_D>0，V_S=0。此時，V_G試溝道聚集了電荷，當V_G>V_TH時，電荷數量聚集達到一定程度，再當V_D>0時，在電壓的驅動下自由電荷運動形成電流。

Fig. 7 Case II

伏安特性：① 當V_G>V_TH為常數時，從直觀上來看流過溝道的電流I_D隨著V_D的增大而增大。② 當V_D為常數時，因為V_G越大，溝道中聚集的電子數量越多，相當於從溝道一端到另一端的電阻越小，那麼從直觀上來看流過溝道的電流I_D也會增大。

那具體I_D和V_G、V_D是什麼關係呢？線性關係還是非線性關係呢？表達式是什麼呢？咱們下回分解。