什么是MOSFET

预备知识

这是一杯水，看上去透明。但是如果把它放大无数倍，会发现水是由无数的微小颗粒构成的

这些微小颗粒被称为分子。水就是由名为$H_{2}O$的水分子构成的，

分子下面还有更小的微粒称为原子，水分子就是由一个氧原子和两个氢原子组成的。

如果再继续放大，会发现原子下面还有更小的微粒，质子、中子和电子。质子带正电，电子带负电，中子不带电。质子和中子结合在一起形成了原子核。

在电场作用下，电子围绕原子核运动，不过电子的环绕轨迹是不确定的，我们只能确定大概得运动空间，这个空间范围被称作电子云。

通常来讲，为了方便理解，在书面表达时，都是用平面的原子结构示意图。内圈数字代表质子数，外圈数字代表其电子数量和层级关系。

中性的物质电子数量和质子数量是相等的

如果一个原子失去了一个电子，由于质子数量不变，就会显正电性。相反会显示负电性。

以上预备知识是为了理解电流，导体与半导体的概念。

铜是经典的导体，我们可以看到铜原子的结构示意图中，最外圈有一个单独的电子，

这个电子由于某些原因，倾向于脱离原子发出去称为自由电子，如果没有外力的帮助，这个电子的运动是随机的。

如果我们在这里放一个电源，一个灯泡，用一串铜原子把正极和负极连接起来构成回路，闭合开关，电源的电压会趋势电子发生定向移动，就产生了电流，灯泡就会亮

不过要注意一点， 电子带的是负电荷，而电流规定的是正电荷移动的方向，所以电流的方向和电子的运动方向是相反的。或者可以理解为，异性相吸，同性相斥。电子带的是负电，所以会被电源的正极所吸引。

工作原理

先认识二极管

除了铜这种比较典型的导体之外，还有一种物质被称为半导体，它的导电性介于导体和绝缘体之间，在外界条件变化时，半导体可以实现在导通和不导通之间的转换， 硅就是典型的半导体。

如果把一堆硅原子组合在一起形成纯净的硅晶体，这样每个硅原子就和周围的四个硅原子会各自拿出一个电子，两两形成共价键，此时就相当于每个硅原子的外层有8个电子。共价键对于电子的束缚力很强，这是一种很稳定的结构，不容易得到电子，也不容易失去电子，此时整体的导电性就很弱。

但是如果我们往纯净的硅晶体中掺入少量的磷元素，磷原子的最外层有5个电子， 其中4个电子和四周的硅原子形成共价键，此时还会多出一个电子，这个电子受到的束缚力较弱，比较容易发生移动，这种少量掺杂的硅，导电性就会上升，这种增加电子的掺杂被称为N型掺杂。

在N型掺杂的半导体中，电荷的载体也叫做载流子是电子。

同样的，如果我们往纯净的硅中产如不少量的硼元素，硼原子的最外层有3个价电子，这样只能形成3个共价键，会出现一个空穴。其他的电子可以移动到这个空穴上来，由于别的电子移动了过来，就相当于空穴移动到了别的地方，此时这种少量掺杂的硅导电性也会上升，这种增加空穴的掺杂称为P型掺杂。载流子是空穴。

例：如果有一个水池，中间有一个挡板，左边水池里有墨水，而右边的是纯净水，如果把中间的挡板拿开，墨水就会自发的往右边扩散，直到两边的墨水浓度相等。这个就是扩散作用。

如果在同一块硅晶体的相邻区域分别进行N型掺杂和P型掺杂，就得到了一个PN结，

因为N型掺杂区域的电子比较多，P型掺杂的区域空穴比较多，电子就会从N区扩散到P区和空穴结合。

这时候在交界的区域，由于N区域失去了带负电的电子，所以这边就会从中性变成显正电性，而P区域得到了电子，就会显负电性。

这时会有一个从正电性的区域指向负电性区域的电场。这个电场会趋势电子移动，由于电子是带负电的会被正极吸引，所以电子在电场中的运动方向是和电场方向相反的。当扩散作用和电子受电场的作用相等，此时就到达了一个平衡，其他的电子将无法继续往另一侧扩散。

中间这片缺乏载流子，存在内电场的区域，被称之为耗尽层。

这时候我们外接一个灯泡，如果电池正极接P，负极接N，电池提供的电场是从右往左的，当这个电场足以抵消向右的内在电场时，平衡就会被打破，·电子就可以跨国耗尽层源源不断的流动了，此时电路就可以导通，灯泡就可以亮起。

相反，电池提供的电场和内在电场方向相同，电场加强以后，因为电子的运动方向和电场相反，这会把所有的电子往左边赶，对应的就是空穴往右边走，于是耗尽层被加宽，电子几乎无法跨过这个电场形成回路。此时电路就是几乎不导通的。

这就是二极管，电流可以从P流向N，但是不能从N流向P

MOSFET工作原理

理解二极管的工作原理后，就可以容易得理解MOSFET了

向一块纯硅中两个肩膀的区域进行N型掺杂，往其他的区域进行P型掺杂，

扩散作用会在N和P的交界处形成耗尽层

这时候如果向两个N区域接一个电池一个灯泡构成回路，正着接的时候，负极是P往N可以导通，但正极是N往P，耗尽层会加宽阻止电子移动，无法构成回路，反过来同理，也是不导通的。

若要实现导通，需要一些电场的帮助。用两个金属板夹着一层绝缘层，然后将两层金属板接上电源的正负极。

在电源的作用下，大量的电子会被电源的正极吸引，离开上层金属板，然后聚集到下层的金属板上，这时上层的金属板显正电，下层金属板显负电。中间的绝缘层就会形成一个从上到下的指向性电场。

把这个结构装到两个N区域的中间，上层是金属板，中间是绝缘层，下面的P区域直接充当下层金属板，

这时我们给这个结构通电，就会有大量的电子被吸引到这片区域，

在填充空穴的同时还会多出很多自由电子

当达到平衡以后，在这片区域的下方，也会因为扩散作用形成新的耗尽层，此时我们会发现，这个区域和N区几乎一模一样，相当于两个N区连起来了，此时电路就被导通了。这个区域被称为N沟道。

所以我们得到了一个可以用电压控制的开关。当给中间的电极施加正向偏压，当电压高于阈值电压时，MOSFET就可以导通，当电压低于阈值电压时，MOSFET就不导通。这便是MOSFET最基本的工作原理。

中间为栅极，左边为源极，右边为漏极。

若在掺杂是将N和P反过来，可以得到PMOS。

箭头指向时从P流向N。