半导体器件基础08：MOS管结构和原理（1）
说在开头：关于海森堡和泡利（2）
如果要用一个词来形容泡利，那就是聪明，聪明绝顶。不过他的教父更牛，是哲学大神马赫。泡利1918年刚刚中学毕业，就带着父亲写的推荐信来找索末菲；他要求不上本科了，直接读研究生，索末菲吓了一跳，再一问，原来泡利在高中就已经把大学课程给自学了（想想我自己本科那混混样，真想抽自己两大嘴巴）；索末菲就答应了下来，那阵子德国《大百科全书》正在准备编写“广义相对论”的词条，索末菲就让泡利去干。结果泡利写了两百多页，足够出一本书了。后来爱因斯坦看到泡利写的东西，根本不敢相信是一个20岁的小伙子写的。泡利去听爱因斯坦讲座，坐在最后一排，问起问题来火药味十足，闹得爱因斯坦都招架不住。后来爱因斯坦讲座开讲前都会先往最后一排扫一眼，看看泡利来了没有，估计看到泡利就头疼。泡利因此获得了一个人见人怕的外号：上帝之鞭。
爱因斯坦看见泡利进来，心头一颤：这刺头又来作甚？爱因斯坦认真地完成了讲座，所有人都等着他发问，哪知道泡利嘟囔了一句：我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的。对于泡利来说着已经了很高的评价了，他最高的评价是：哦，这竟然没什么错。这就是天才，连另一个物理学天才朗道见到泡利，气焰也要弱上三分。但是这么嚣张的人，也有让他收敛的人，那人就是他的授业恩师：索末菲；索末菲很威严也很和蔼，泡利这么狂傲的人见了索末菲立刻就拘谨了；哪怕日后成了大家，见到导师索末菲一进屋，立刻站起来相迎。
索末菲原来是数学出身，后来转向了物理学，他常常对海森堡这些人说，要想成为优秀的物理学家，有三件事要做：1，学习数学；2，学习数学；3，坚持前两条。泡利、海森堡等一大堆学生就是这么给教育出来的。他最擅长的事就是把别人的理论拿过来用数学加以完善和扩展，对玻尔的原子模型就是这么干的。他还对新的知识特别关注，当年爱因斯坦狭义相对论一发表，他就立刻表示支持，对新鲜事物也接受的非常快。索末菲原本有希望在1922年跟玻尔一同获得诺贝尔物理学奖，但很遗憾没有拿到。据说他前后被提名了80多次诺奖，结果一次都没通过。1919年，他出版了一本书《原子结构和光谱线》，几乎是当时量子论的圣经。
一，MOS管概念
1947年BJT发明后，人们终于可以“随心所欲”的控制半导体开关；但是BJT应用有较大的局限性：1，控制它需要较大的电流（电流驱动）；2，由于少子电荷存储的问题（反向恢复时间长）限制了其工作频率。不就之后有人发明了FET，其工作频率要比BJT高的多，而且几乎不需要电流驱动（电压驱动）；1960年，有人提出使用金属-氧化物来提升双极性晶体管的特性，从此诞生了MOS管。
MOS管的全称是MOSFET，中文全称就是：金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）；辣这么长的一个名字，我们该怎么来理解它呢？
首先，“金属-氧化物-半导体”（简称：MOS）表现了MOS管的组成及结构：
1. G极（栅极）：由金属-氧化物组成（目前栅极导电部分大多采用多晶硅，而非金属），与BJT的B极（基极）不同，MOS管的G极与半导体之间是绝缘的；
2. D极（漏极）和S极（源极）：由半导体组成，同BJT类似（具体结构相差很大），所以MOS管主要有：金属（多晶硅），氧化物（绝缘层）和半导体所构成。
其次，“场效应晶体管”（FET）体现了MOS管的工作方式：
1. 场效应：是利用控制输入回路的电场效应（电压）来控制输出回路电流，它利用加在G极（栅极）上电压产生电场，使得沟道上靠近G极形成多数载流子的通道；所以它只有多数载流子参与导电，是单极型晶体管；
2. 晶体管：指以半导体材料为基础的单一元件，它遵循PN结理论与工作原理。
我们从MOSFET的名字中，了解到了它最重要的信息：绝缘栅-场效应-晶体管-开关。不可否认，在这么多半导体分立器件中，对于我来说用的最多的就是MOS管，但我是否真正理解了它的工作原理了？
二，MOS管结构
MOS场效应管分为：增强型和耗尽型；同时由于沟道的不同可分为：N沟道和P沟道。我们接下来根据MOS管的不同结构，来看它们之间的差别。
MOS管从结构上由4部分组成：
1. 电极D：Drain，漏极；
2. 电极G：Gate，栅极；
3. 电极S：Source，源极；
4. 衬底B：衬底B同S极相连。
这里关于MOS管Symble，有几点说明：
1. MOS管中的寄生二极管是怎么来的，N沟道和P沟道为什么不同？
——由于衬底B同S极连接在一起，如上左图N沟道MOS管为例，S和B之间等电位，而B和D之间是一个PN结（二极管），所以从S到D有一个正向寄生二极管。同理P沟道MOS管的寄生二极管方向为D到S的寄生二极管。
2. Symble中的G、D、S连接关系？
——Symble中中间短横线表示衬底B，表示S与B的连接关系，不管是NMOS或PMOS，S极都和衬底连在一起，在Symble中可以用来判断S极。
3. Symble箭头表示什么意思？
——箭头表示MOS管中衬底耗尽层（PN结）的指向，如果是NMOS管衬底的耗尽层（PN结），那么PN结的方向是衬底B指向反型层；同理如果是PMOS，那么PN结方向是反型层指向衬底B，用来判断NMOS还是PMOS；同时箭头与寄生二极管的方向相同。
1，增强型NMOS管
增强型NMOS管是N+P+N的结构，中间为P型衬底，所以沟道在默认情况下并没有“自由电子”可供通电流，同时P型衬底与D和S的交界处会形成两个PN结—“空间电荷区”（耗尽层）；接下来我们看下其不同电压条件下的状态：
1. 当Vgs=0V时，DS之间由两个二极管背靠背串联，所以在DS之间加电压不会形成电流，处于断开状态；
2. 当0 3. 当Vgs>Vth时，G极下衬底形成N型电导沟，当DS之间加电压可产生电流； 4. 当Vgs越大，N沟道越宽（“自由电子”浓度越高），DS之间的等效电阻Rds越小，在相同Vds电压作用下，漏极电流越大。 耗尽型NMOS管，制造时在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子（带正电），沟道在默认条件下通过电场“吸附”一些“自由电子”，形成导电通道；所以耗尽型NMOS相对增强型NMOS在V-I曲线上，呈现电压偏移特性，需要在Vgs加上负电压才能关闭MOS管； 1. 当Vgs=0V时，就存在导电沟道，如果在DS极之间加电压Vds，就会有Id电流； 2. 当Vgs>0V时，沟道增宽，ID电流进一步增加； 3. 当Vgs<0V时，沟道变窄，加ID电流减少。 P沟道MOS管结构与N沟道MOS管互为对偶关系，此时需要G极带负电才能“吸附”带正电的“空穴”；所以使用PMOS管时VGS、VDS的极性与N沟道刚好相反； 1. P沟道增强型MOS管VGS(th)为负值，当VGS< VGS(th)时导通； 2. P沟道耗尽型MOS管VGS(off)为正，VGS< VGS(off)时导通。 可能有些朋友又会产生一个疑惑：P型半导体只有 “空穴”，而几乎无“自由电子”，为什么N型衬底在默认情况的沟道通道上有“自由电子”时不能导通，反而需要将“空穴”吸附到沟道通道才能导通呢？ 好，我们再强调一次：“空穴”可以等价看成 “正自由电子”，它可以移动，但质量略大于“自由电子”（迁移率较低），有兴趣的朋友再复习下《关于PN结的那些事》，有具体解释和分析。 功率MOS管从字面上理解是为大功率、高耐压应用所设计；在结构上功率MOSFET分为： LDMOS和VDMOS； 所谓LDMOS是指：横向双扩散金属氧化物半导体场效应管；如下图所示。那这样结构的功率MOS管相对普通MOS管有哪些不同呢？ 1. 在相同源/漏（S/D）区域注入两次：一次注入浓度较大的砷（5+），另一次注入浓度较小的硼（3+）； 2. 在高温推进过程，由于硼（3+）扩散比砷（5+）快，所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远， 从而形成一个有浓度梯度的沟道，沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定； 3. 为增加击穿电压，在源（S）区和漏（D）区之间有一个漂移区，漂移区的杂质浓度比较低，因此当接高压时，漂移区能够承受更高的电压。 LDMOS管的优点：兼容性高，工艺简单，耐高温性能稳定；缺点：单元面积大、成本高，导通电阻和击穿电压折中。LDMOS管是为蜂窝电话技术开发的，用于微波低端大功率发射器件。 VDMOS是指：纵向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其结构同IGBT非常类似（少了一个P型底）： 1. 衬底为高掺杂N+，上面为N-的漂移层，再上面为两个连续的P-扩散区，且沟道在P-区域形成； 2. 在P-区域内部扩散形成的两个N+为源极； 3. 硅片表面形成的栅极氧化物，形成高质量的氧化层，从而产生沟道。 VDMOS的优点：导通电阻小、单元面积小；缺点：开启电压高（与MOS兼容性低）、成本高、工艺复杂；VDMOS管广泛应用于各种领域：电机调速、逆变器、开关电源、电子开关，保真音响、汽车电器以及电子镇流器等。
2，耗尽型NMOS管
3，PMOS管
4，功率MOS管
