MOS柵結構是MOSFET的重要組成部分，一個典型的N溝道增強型結構示意圖如圖1所示。其中柵極、源極和漏極位于同一個平面內，半導體的另一個平面可以稱為體端，所以在一些書籍和資料中，也將MOSFET稱為四端器件，實際上那個體端一般跟源極相連接，所以在此還是將MOSFET看成三端器件。N溝道增強型MOSFET的圖形符號如圖2a所示，跟結型場效應晶體管一樣，存在3種類型的MOSFET，它們的圖形符號如圖2b、c和d所示。在實際應用中，一般不特指時的MOSFET都是增強型MOSFET，即在柵極不控制時，漏極-源極之間可以承受正偏置電壓。

在圖1中，點劃線框內就是典型的MOS結構，或者稱為MOS柵結構。在金屬和P型半導體之間的黑色部分就是氧化物絕緣層。需要補充說明的是，在早期的MOS柵結構中，金屬側只能使用金屬材料，而在現代的MOS柵結構中，金屬幾乎完全被重摻雜的多晶硅或者金屬-多晶硅合金所代替，這些材料在生產方便性和可靠性上都更具有優勢。不妨礙對MOSFET結構和基本工作原理的理解，在此仍認為其是金屬材料。和結型場效應晶體管一樣，在MOSFET中載流子也是從源極經過溝道流向漏極，所以與源極和漏極相連接的都是重摻雜的N+區，以便更好地提供載流子。仔細觀察，在MOSFET中，由于源極和體端相連接，從源極到漏極，即從體端到漏極還存在PN+結，即一個雙極型二極管，顯然它對 MOSFET的反向阻斷和導通特性有明顯的影響。

為分析和表述方便，定義柵極到源極(就是柵極到體端)的電壓為UGS，漏極到源極的電壓為UDS，流經MOSFET的電流，即流入漏極的電流為ID。

MOSFET的基本工作原理和特性主要體現在MOS結構的工作原理以及MOSFET中溝道的特性。此時要分兩大類情況來分析MOSFET的基本工作原理，一類是MOSFET的漏-源極處于正偏置狀態，另一類是漏-源極處于反偏置狀態。

當MOSFET的漏-源極處于正偏置狀態，即UDS>0時，體端到漏極的二極管處于反偏置狀態，PN+結的空間電荷區主要是在P區內展寬，從漏極到源極存在一個很小的漏電流。此時當柵極電壓即UGS逐漸增高時，MOS柵結構就會經歷耗盡、弱反型和強反型三個階段，分別如圖3b、c和d所示。

在UGS剛大于零時，在氧化物絕緣層的下方P型半導體中出現了耗盡層，即空穴被門極電壓產生的電場推開，留下受主離子;而當UGS增加到一定程度時，在氧化物絕緣層的下方的P型半導體中出現反型層，此時還處于弱反型階段，即在反型層中有NA>>np>pp，載流子的濃度遠小于半導體中受主原子的濃度，此時柵極電壓并沒有改變整個器件的導電特性。當UGS大于開啟電壓UT時，氧化物絕緣層的下方P型半導體中出現強反型層，在反型中有np>NA，此時的反型層中電子占優勢，其導電行為主要是電子的漂移運動，形成從源極到漏極的電子流，即漏極到源極的電流ID，形成的強反型層稱作溝道，根據其導電載流子性質，叫做N溝道(雖然在P型半導體中)。顯然溝道的寬度和導電能力跟柵極電壓有關，柵極電壓越高，溝道的寬度和導電能力越強。可以認為，當柵極小于開啟電壓UT時，沒有溝道形成。所以在MOSFET柵極零偏置時，MOSFET被關斷，其間不會出現雙極型器件因為儲存載流子的抽出和復合而出現的開關延遲，其關斷時間僅由MOS柵結構的電容放電時間決定，所以MOSFET相對于雙極型器件來說，也是高開關頻率器件。

以上就是MOSFET的漏-源極處于正偏置狀態基本工作原理，還有必要關注MOSFET在通態時的特性，會出現與結型場效應晶體管一樣的線性、過渡、飽和等區域。即MOS柵結構形成的溝道不但受柵極電壓的影響，還受到漏-源之間電壓的影響，由于溝道采用摻雜濃度不高的材料，其電阻率較高，當有電流在漏-源間流過時，其中必然出現壓降。此時MOS柵結結構的偏置電壓就不再均勻分布，MOS結構的空間電荷區的寬度從漏到源不再相等。

當流經電流較小時，電流在溝道中產生的電位梯度很小，溝道的外形幾乎不發生改變，認為溝道是一個固定阻值的電阻區，則MOSFET的端電壓和流經的電流之間呈線性關系。隨著器件流經的電流增加，器件壓降增加，溝道形狀開始發生改變，且可看成是隨壓降變化的電阻，端電壓和流經的電流關系就偏離線性關系。隨著流經的電流和壓降的進一步增加，出現圖4所示的溝道一段被夾斷的情況，此時壓降增加而流經的電流不再增加，從而發生飽和，電子在強電場作用下通過夾斷的溝道進入漏極來維持飽和電流。

圖5給出一個實際MOSFET在室溫下的正偏置時輸出特性曲線，即在不同的柵極電壓情況下，MOSFET端電壓與流經的電流的關系曲線族。圖中是以實驗點的形式給出，將線性區和過渡區合稱為非飽和區。隨著柵極電壓的增加，非飽和區和飽和區的分界電壓有所增加。由此可以看出，MOSFET的導電行為同時受到柵極電壓和端電壓的影響。

MOSFET的工作原理中，還有一類情況就是MOSFET的漏-源極處于反偏置狀態，即UDS<0時的工作原理。此時體端到漏極的二極管處于正偏置狀態，所以無論MOSFET的柵極電壓如何變化，MOSFET都處于導通狀態。只是導通的行為在不同情況下有所不同。存在兩種情況：1) 柵極電壓UGS

2) 柵極電壓UGS>UT時，MOS柵結構中存在導電溝道，電子流可以從漏極流向源極，即電流可以從源極流向漏極，這部分的電流-電壓特性關系可以看成圖5所示的輸出特性關于原點的對稱。但是只要MOSFET的壓降增加到一定程度，并聯的PN結正偏置向P區注入電子，結果就會使MOSFET的反向導通特性變成二極管的導通特性。從電路的角度看，MOSFET反偏置狀態可以看成MOS柵結構與PN結二極管的并聯，兩部分的電流-電壓曲線不同，MOSFET總的反向導通特性取決于兩者并聯的均流關系。

這兩種情況的電流示意圖如圖6所示，圖5所示的MOSFET的導通特性在絕對值坐標下的曲線關系如圖7所示。

可以看出，在二極管沒有導通的區域內，MOSFET在相同柵極電壓下，正反向的電流-電壓關系基本一致;柵極沒有觸發時，MOSFET的反向導通是雙極型二極管特性;柵極觸發時，MOSFET的反向導通是單極型的溝道特性與雙極型二極管特性的分段組合。當然這種分段組合在低壓大電流的功率MOSFET中體現得比鉸明顯，此時溝道區電阻阻值相對較低，在相當大小的電流范圍內形成的壓降比PN結的壓降要小;對于一些高承壓的MOSFET，溝道電阻阻值比較大，僅在非常窄的電流范圍內形成的壓降比PN結的壓降小，幾乎看不出分段組合。

審核編輯：湯梓紅