簡(jiǎn)述MOSFET的基本原理（上）

半導(dǎo)體是如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的？

物質(zhì)能否導(dǎo)電取決于構(gòu)成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)中是否存在自由電子（負(fù)電荷）或者空穴（正電荷），統(tǒng)稱為載流子。導(dǎo)電能力的大小又取決于物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)中載流子的多少，載流子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

我們知道金屬導(dǎo)電，絕緣材料不導(dǎo)電，因此這兩類材料就代表了要在導(dǎo)電和不導(dǎo)電之間做出選擇。簡(jiǎn)單做個(gè)比喻，選擇金屬就是導(dǎo)電，選擇絕緣材料就是不導(dǎo)電，這就是一個(gè)0和1之間做出選擇的情況。但是如果兩種狀態(tài)都需要用到的時(shí)候怎么辦？

簡(jiǎn)單來說就是要在我想要它導(dǎo)電的時(shí)候變成“金屬”，不想要它導(dǎo)電的時(shí)候變成“絕緣材料”，0和1都要，是可以選擇和變化的。對(duì)于這種0和1的變換，這里就和我們?cè)诂F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)中的原理對(duì)應(yīng)起來了，計(jì)算機(jī)本就是一系列的0和1二進(jìn)制運(yùn)算構(gòu)成的系統(tǒng)，底層的邏輯就是導(dǎo)通和不導(dǎo)通的原理。什么樣的材料能夠?qū)崿F(xiàn)“0和1”的兼容？半導(dǎo)體的出現(xiàn)給出了最好的答案。

我們熟悉的半導(dǎo)體材料最多的就是Si了，如果是一個(gè)純凈的Si材料，經(jīng)過一定的工藝制程單晶體可以變成本征半導(dǎo)體。Si晶體中的原子在空間中形成排列整齊的陣列，稱為晶格。

相鄰的原子間距小，兩個(gè)相鄰的原子的一對(duì)最外層電子同時(shí)在自己的原子核圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)也在對(duì)方的軌道上出現(xiàn)，出現(xiàn)了共用電子的情況，這樣的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如下圖所示（一個(gè)Si原子有4個(gè)電子）：

正常情況下這種結(jié)構(gòu)中的電子是非常穩(wěn)定的，僅有極少數(shù)的共價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得了足夠的能力從而掙脫束縛成為自由電子，掙脫了束縛之后原來共價(jià)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中就空出了一個(gè)位置，空出來的地方叫做空穴（由于電子脫離而帶正電荷），自由飄蕩在外的是自由電子（負(fù)電荷）。

空穴和自由電子都是成對(duì)出現(xiàn)的，如果在結(jié)構(gòu)中加上電壓，那么電子將會(huì)產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)從而形成電流。另一方面，價(jià)電子將會(huì)按照一定方向依次填補(bǔ)空穴，所以相對(duì)來說空穴也就有一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)（依次跳到下一個(gè)坑里面去填上，再跳出來再填下一個(gè)，這樣就流水線一樣的動(dòng)起來了）。

這種可以流動(dòng)的粒子統(tǒng)稱為載流子，在導(dǎo)電的導(dǎo)體中只有可以自由移動(dòng)的電子作為載流子，而在本征半導(dǎo)體中則有電子、空穴兩種載流子，如下圖所示。

本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)正常情況下相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)中載流子在沒有受到熱激發(fā)的情況下為0。當(dāng)半導(dǎo)體受到熱激發(fā)，溫度升高就會(huì)產(chǎn)生自由電子和空穴，隨著溫度升高濃度越來越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

反之則濃度越低，導(dǎo)電能力越弱。為了使得半導(dǎo)體中的載流子濃度提高，提升導(dǎo)電能力可以通過向結(jié)構(gòu)中注入其他的元素來破壞其原有的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單來說就是擠出電子或者增加空穴。通常會(huì)選擇Ⅲ-Ⅴ族的元素，如三價(jià)的硼B(yǎng)和五價(jià)的磷P。

三價(jià)元素外圍只有3個(gè)電子，摻雜之后與周圍的原子共價(jià)之后還缺少一個(gè)電子填空，因此形成了空穴（正電荷），構(gòu)成了P（Positive的意思）型半導(dǎo)體。五價(jià)元素同樣的道理，外圍有5個(gè)電子，4個(gè)形成了共價(jià)鍵，多出來一個(gè)自由電子（負(fù)電荷），構(gòu)成了N（Negative的意思）型半導(dǎo)體，如下圖所示。在N型半導(dǎo)體中，自由電子濃度大于空穴，因此自由電子稱為多子（多數(shù)的載流子），同樣P型半導(dǎo)體中空穴是多子。

PN結(jié)與耗盡層

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們把P型和N型半導(dǎo)體放在一起的時(shí)候，兩者之間不同載流子的濃度是不同的。P型半導(dǎo)體中空穴多，N型半導(dǎo)體自由電子多，彼此對(duì)于地方都是一個(gè)低濃度的地方。

因此P型半導(dǎo)體的空穴會(huì)向N型半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，N型半導(dǎo)體的自由電子會(huì)向P型半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)空穴和電子相遇的時(shí)候就自動(dòng)結(jié)合，因此在交界面附近載流子的濃度下降。在結(jié)合過程中慢慢形成了電場(chǎng)區(qū)域，由N型指向P型，空穴與自由電子結(jié)合使得正負(fù)離子達(dá)到平衡，構(gòu)成了內(nèi)部靜電場(chǎng)，電壓為Uho。

由于內(nèi)部電場(chǎng)力的作用同時(shí)電場(chǎng)力的作用距離有限，因此正電荷被排斥向左邊，自由電子被排斥在右邊，中間形成了一個(gè)只有正負(fù)離子的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域內(nèi)沒有載流子了，直接說就是載流子被消耗完了，因此空間電荷區(qū)又被稱為耗盡層。

前面我們提到物質(zhì)導(dǎo)電與否取決于結(jié)構(gòu)中是否有載流子，導(dǎo)電能力大小取決于載流子的多少。在耗盡層中沒有載流子了，因此這個(gè)區(qū)域就不導(dǎo)電了。當(dāng)此時(shí)我們施加一個(gè)外部電壓，電場(chǎng)力的方向和內(nèi)部電場(chǎng)力的方向相反，抵消了內(nèi)部電場(chǎng)力的作用，引起空穴向左邊運(yùn)動(dòng)，自由電子向右邊移動(dòng)（同性相斥、異性相吸），從而使得耗盡層變窄，電阻降低，這個(gè)時(shí)候就能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)通了，如下圖所示。

相反的，當(dāng)外加一個(gè)反向電壓，和內(nèi)部電場(chǎng)力的方向保持一致，則耗盡層將會(huì)擴(kuò)大，增大到一定程度則會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)幾乎被耗盡層占完，沒有載流子了，無法導(dǎo)電，實(shí)現(xiàn)了斷路的作用，如下圖所示：

這樣一來就實(shí)現(xiàn)了通斷兼容，0和1隨時(shí)切換了，這也是PN結(jié)的單向?qū)ǖ幕驹?，?a href="http://ttokpm.com/v/tag/8791/" target="_blank">數(shù)字電路里面這是實(shí)現(xiàn)0和1的方式，在功率電路里面是實(shí)現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)換器的基本手段。MOSFET管子的工作基本原理也是這樣的，接下來我們將介紹MOSFET的基本工作原理。MOS的核心原理就是利用電場(chǎng)的作用，改變耗盡層的大小，使得該區(qū)域時(shí)而導(dǎo)電時(shí)而斷開。