2.6  MOSFET

相对于前述的双极型器件，将只有一种载流子参与导电的器件称为单极型器件，它的代表是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）。它的优缺点刚好与双极型器件相反。图2.17a所示为MOSFET的构造，对p型硅半导体基板表面进行氧化处理，覆盖一层SiO₂绝缘层，再在其上附加金属膜得到栅极（G），在栅极两侧基板部分扩散杂质来形成n型半导体的两个电极端子^[8]。

图2.17 MOSFET构造和电压电流控制特性(https://www.daowen.com)

相对p型半导体基板，在栅极上施加正电压V_G（栅极电压），利用电容器原理可以在绝缘层下方吸引自由电子。对于p型半导体而言，电子是少数载流子，像这样吸引电子会使得空穴远离绝缘层，从而在绝缘层下方的半导体部分形成反型层（inversion layer），同时在反型层的外侧形成耗尽层。在反型层的两端存在n型半导体，所以若在两个端子间施加电压，则自由电子将会进行流动，于是反型层成为自由电子的通道。由电子构成的反型层称为n沟道（n-channel），两侧的端子分别称为源极（Source，S）和漏极（Drain，D）。另外，电流朝哪个方向流动应注意，施加电压时提供载流子（电子）侧的端子被定义为源极。

其中，如图2.17b所示，对于漏源极间流动的电流I_D（与电子流动方向相反），由于沟道电阻值的原因，漏极附近部分的沟道电位上升，使得对应于该部分的栅极电压V_G的影响相对变小，导电沟道变细。若增大I_D，则达到某个值后沟道宽度几乎变为零，此时I_D达到极限，称这种现象为沟道夹断（pinch-off），此时的电流称为夹断电流。另一方面，由于可以通过提高栅极电压来增加沟道的载流子密度，所以可以通过栅极电压V_G来控制夹断电流。

图2.17c所示为MOSFET典型的电压电流控制特性。在发生夹断以前，V_DS与I_D几乎成比例上升，所以被称为漏极电流的线性区。在某处进入夹断，当达到完全夹断后，I_D饱和而变为定值，通过适当调节栅极电压V_G可以改变该饱和电流值。

以上是MOSFET基本动作原理。对于在p型半导体中的自由电子沟道上流动的电流，由于两端的漏极、源极都是n型半导体，只有自由电子引起电流流动，所以它是单极型器件。作为开关器件使用时，经常施加很大的栅极电压，使其工作于饱和区，因此理想开关特性如图2.17d所示。