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它的工作特性，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
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，哪一端是漏极呢？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。
Fig. 6 Case 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。
Fig. 7 Case II
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。
上篇讲到通过MOSFET器件结构的介绍和电学特性的分析，我们知道：
① MOSFET器件由导体-绝缘体-半导体三层结构组成。导体的一端为栅极（G），P型半导体基板上两块重掺杂的N型半导体分别是源级（S）和漏极（D），具体哪一端是S，哪一端是D，需要通过其所接电压的大小才能确定。
② 直观的认识：当V_G>V_TH为常数时，沟道中的电流I_D随着V_D的增大而增大；当V_D为常数时，沟道中的电流I_D随着V_G的增大而增大。
那具体I_D和V_G、V_D是什么关系呢？表达式是什么？V-I特性曲线长什么样？：）OK，请往下看
本文内容：
- MOSFET的尺寸
- MOSFET的沟道的性质
- MOSFET的伏安特性I
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1、 MOSFET的尺寸
Fig. 2 MOSFET的几何尺寸
2、MOSFET的沟道的性质
因为流过沟道的电流I_D和沟道的性质强相关，所以要想弄清楚伏安特性，就必须先搞懂沟道的性质。
Case I：如图Fig.3 当V_G=1V，V_TH=0.5V，源级和漏极分别接地时，此时沟道打开，沟道中聚集了电荷。但是沟道两头没有电压，就没有驱动力，此时I_D=0。
Fig. 3 Case I
Case II：如图Fig.4 所示，V_G=1V，V_TH=0.5V，半导体基板上的两级一个是0.6V，一个接地，因为N型半导体电压高的那端为漏极，低的一端为源级，所以V_D=0.6V，V_S=0V，得到V_GS=1V > V_TH，所以沟道开启。因为V_DS=0.6V>0，所以沟道中存在从D流向S的电流。（只要栅极相对于半导体基板其中任意一端的电压大于V_TH，则沟道开启）。
Fig. 4 Case II
但是因为源级和漏极电压不一样，沟道两侧的分布电压就不一样，靠近S端的电压为V_GS=1V，靠近D端的电压为V_GD=0.4V，根据Q=CV（一个圆等于两个半圆），沟道中聚集的电荷数量分布也不均匀。靠近S端的沟道中电荷多，靠近D端的沟道中电荷少。
上面两个Case非常重要，这两个Case如果理解清楚了，就摸清了电荷在沟道中的分布规律，电荷的变化率就是电流。根据上面的原理，我们来推导MOSFET的伏安特性。
3、MOSFET的伏安特性
①先搞清楚沟道的电荷密度分布
对于Case I，沟道中单位长度的电荷密度为：
对于Case II，如图Fig. 5，沟道中单位长度的电荷密度为：
其中，C_ox为分别电容，表示沿着沟道每一点处的单位长度电容值，单位为F/m^2。V_GX表示沟道每一点x处绝缘体上下两侧的电压差。
Fig. 5
② 根据电荷的分布求出I_D随电压变化的表达式
Fig. 6
为了得到沟道中电流I_D的表达式，还有一个概念需要明确，即如Fig. 6所示，对一个物体两边加电压，物体中的自由电子就会加速移动，但是速度越快和周围物质的碰撞就会越频繁，使得速度不会一直增大下去，自由电子的速度会到达一定的数值就不会继续增加，但是这个速度值是和所加的电场成正比，即电场强度越大，自由电子最后稳定下来后的速度值也越大，可表示为
其中，u_n可以理解为电子的运动能力，所以
这些表达式看似复杂，其实思路很清晰，推导过程比较简单，红框内就是我们
想要的表达式。利用这个表达式，我们就可以知道I_D与V_GS的变化关系，I_D与V_DS的变化关系，这就是我们想要的，我们可以画出如下图的V-I曲线：
Fig.7 I_D随V_DS变化曲线
图Fig. 7为当V_GS为常数时，I_D随V_DS的变化曲线，按照红框里我们辛辛苦苦求出来的公式，当V_DS=V_GS-V_TH时，I_D取得最大值，当V_DS再变大时，I_D会减小。
Fig. 8 I_D随V_GS变化曲线
图Fig. 8为当V_DS为常数时，I_D随V_GS的变化曲线，当V_GS小于V_TH时，沟道中没有足够多的自由电荷，沟道不能开启，当V_GS大于V_TH时，按照红框里的公式，I_D与V_GS为线性关系，沟道可以看成是一个恒定的电阻。
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