一、MOS管的結(jié)構(gòu)組成

以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例，其構(gòu)建始于一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底。借助半導(dǎo)體光刻與擴(kuò)散工藝，在該襯底上形成兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并通過(guò)金屬鋁分別引出漏極D和源極S兩個(gè)電極。在漏極與源極之間的P型半導(dǎo)體表面，覆蓋一層極薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層膜。進(jìn)一步地，在這層絕緣層膜之上裝設(shè)一個(gè)鋁電極，即構(gòu)成柵極G。如此設(shè)計(jì)使得柵極與其他電極之間實(shí)現(xiàn)絕緣。

同樣地，若以一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底為基礎(chǔ)，運(yùn)用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作出兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，并遵循與上述相同的柵極制作流程，便能制得P溝道增強(qiáng)型MOS管。以下是N溝道和P溝道MOS管的結(jié)構(gòu)圖及其代表符號(hào)示意。

二、MOS管的工作原理

核心基礎(chǔ)：MOS管的工作緊密依賴(lài)于MOS電容。MOS電容位于源極和漏極之間的氧化層下方的半導(dǎo)體表面。通過(guò)在柵極施加正電壓或負(fù)電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)該半導(dǎo)體表面從P型到N型的反轉(zhuǎn)。

開(kāi)關(guān)特性：MOS管具備控制源極和漏極之間電壓與電流的能力，其工作原理類(lèi)似于一個(gè)開(kāi)關(guān)，而MOS電容則是這一開(kāi)關(guān)功能的核心組件。

導(dǎo)電過(guò)程：當(dāng)漏源電壓（VDS）連接在漏極和源極之間時(shí)，漏極為正電壓，源極為負(fù)電壓。此時(shí)，漏極的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，而源極的PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，通常情況下漏極與源極之間無(wú)電流流動(dòng)。

溝道形成：若在柵極端子施加正電壓（VGG），由于靜電引力作用，P襯底中的少數(shù)載流子——電子將在柵極觸點(diǎn)處聚集，進(jìn)而在兩個(gè)N+區(qū)域之間構(gòu)建起導(dǎo)電橋。

電導(dǎo)率控制：在柵極接觸處積累的自由電子數(shù)量受施加正電壓強(qiáng)度的影響。電壓越高，電子積累所形成的N溝道寬度越大，電導(dǎo)率隨之提升，漏極電流（ID）便會(huì)在源極與漏極之間開(kāi)始流動(dòng)。

閾值電壓概念：當(dāng)柵極端子無(wú)電壓施加時(shí)，僅存在少量因少數(shù)載流子產(chǎn)生的電流。MOS管開(kāi)始導(dǎo)通所需的最小電壓即為閾值電壓。

類(lèi)型劃分：MOS管分為N溝道和P溝道兩類(lèi)，每類(lèi)又細(xì)分為增強(qiáng)型與耗盡型，共計(jì)四種類(lèi)型：N溝道增強(qiáng)型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強(qiáng)型管、P溝道耗盡型管。增強(qiáng)型管的特征為當(dāng)柵極-源極電壓UGS為零時(shí)，漏極電流也為零；而耗盡型管則是在UGS為零時(shí)漏極電流不為零。

三、增強(qiáng)型MOS管工作原理詳解

增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間存在兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS為零時(shí)，即便施加漏-源電壓VDS，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，導(dǎo)致漏-源極間缺乏導(dǎo)電溝道，無(wú)電流流過(guò)，此時(shí)漏極電流ID為零。

若在柵-源極間施加正向電壓，即VGS>0，柵極與硅襯底之間的SiO2絕緣層將產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向P型硅襯底的電場(chǎng)。由于氧化物層的絕緣特性，柵極所加電壓VGS無(wú)法形成電流，于是在氧化物層兩側(cè)形成電容結(jié)構(gòu)。VGS相當(dāng)于對(duì)該電容充電并形成電場(chǎng)，隨著VGS的逐步升高，受柵極正電壓吸引，電容另一側(cè)聚集大量電子，形成從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道。當(dāng)VGS超過(guò)管子的開(kāi)啟電壓VT（通常約為2V）時(shí)，N溝道管開(kāi)始導(dǎo)通，漏極電流ID隨之產(chǎn)生。開(kāi)啟導(dǎo)電溝道時(shí)的柵-源極電壓被稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，以VT表示。

通過(guò)調(diào)控柵極電壓VGS的大小，可改變電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流ID大小的控制。這正是MOS管利用電場(chǎng)控制電流的關(guān)鍵特性，因此其也被稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管。