金属-氧化物半导体场效应管( MOSFET )是另一种重要的场效应管。MOSFET 和 JFET 的区别在于它没有 pn 结结构，而是 MOSFET 的栅极与沟道之间用非常薄的二氧化硅(SiO$_2$)层来相互绝缘。MOSFET 的两种基本类型为: 耗尽型(D)和增强型(E)。这两者中，E-MOSFET 使用更为广泛。由于现在栅极材料用多晶硅取代金属，因此有时也称 MOSFET 为 IGFET(绝缘栅 FET)。
学完本节后，你应该掌握以下内容:
- 解释 MOSFET 的工作原理
- 描述 MOSFET 在构造上的不同
- 画出 n 沟道和 p 沟道 D-MOSFET 和 E-MOSFET 的符号
- 解释 MOSFET 在耗尽模式和增强模式下如何工作
- 解释 MOSFET 的漏极特性曲线
- 描述 MOSFET 的跨导曲线，并解释它与漏极特性曲线的关系
- 讨论 MOSFET 器件的特定处理预防措施
4.4.1 D-MOSFET
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a）n沟道~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
b) p沟道
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图4-22~~~~~~~~D-MOSFET的基本结构
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耗尽型 MOSFET (D-MOSFET )是 MOSFET 的一种，其基本结构如图4-22所示。漏区和源区扩散到衬底材料中，然后通过靠近绝缘栅的窄沟道相连。图4-22给出了 n 沟道和 p 沟道 D-MOSFET，但是，p 沟道 D-MOSFET 并不广泛使用。这两种类型器件的工作原理相同，除了 p 沟道的电压极性与 n 沟道的相反。为了简单起见，本节只讨论n沟道器件。
D-MOSFET 可以工作在两种模式: 耗尽模式或增强模式，因此有时又称为耗尽-增强 MOSFET。由于栅极与沟道绝缘，因此栅极电压可正可负。对 n 沟道 D-MOSFET 而言,当栅源电压为负时，器件工作在**耗尽模式**; 当栅源电压为正时,器件工作在增强模式。通常这些器件工作在耗尽模式。
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a)耗尽模式:V_{GS}为负并且小于V_{GS(off)}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b)增强模式:V_{GS}为正
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耗尽模式 将栅极看成平板电容器的-个平板，沟道为另一个平板，二氧化硅绝缘层为电介质。当加上负的栅极电压时，栅极上的负电荷会排斥沟道中的导电电子，并在该位置上留下正离子。因此 n 沟道耗尽了部分电子，使得沟道的导电性下降。栅极上的负电压越大，n 沟道电子的耗尽就越严重。在一个足够大的栅源负电压，即 $V_{GS(off)}$ 下，沟道完全耗尽，漏极电流为 0。图4-23a 说明了这种耗尽模式。类似于 n 沟道 JFET，n 沟道 D-MOSFET 在介于 $V_{GS(off)}$ 和 0V 之间的栅源电压下传导漏极电流。此外， D-MOSFET 在 $V_{GS}$ 大于 0V 时也能传导电流。
增强模式 当 n 沟道 D-MOSFET 加上正的栅极电压时，更多的传导电子被吸引到沟道，因此增强了沟道的导电性,如图4-23b所示。
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a）n沟道~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b）p沟道
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$$ 图4-24~~~~D-MOSFET的电路符号 $$
D-MOSFET 的电路符号 图 4-24 为 n 沟道和 p 沟道D-MOSFET 的电路符号。由箭头指示的衬底一般(但不总是)在内部与源极相连。有时也从衬底引出另一个电极。指向衬底的箭头表明是 n 沟道器件，从衬底指出的箭头表明是 p 沟道器件。
由于 MOSFET 和 JFET 类似，都是场效应器件，因此你可能会认为 MOSFET 与 JFET 有类似的特性。这的确是事实。n 沟道 D-MOSFET 的传输特性($I_D$对$V_{GS}$)如图4-25所示。该曲线形状和之前学习的 n 沟道 JFET 的曲线(参见图4-9a)形状相同，但传输特性中 $V_{GS}$ 既有负电压，又有正电压，分别表示器件工作在耗尽区和增强区。图4-25所示曲线中，当 $V_{GS}$ 为 0V 时， $I_{D}$ 大约为 4.0mA。由于 $V_{GS}=0V$，因此这一点就是 $I_{DSS}$ 。可以看到 D-MOSFET 可以工作在电流大于 $I_{DSS}$ 的情况下，而 JFET 却不能。
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图4-25~~D-MOSFET的转移特性
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4.4.2 E-MOSFET
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a）基本结构~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b)感应沟道(V_{GS}>V_{GS(th)})
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$$ 图4-26~~E-MOSFET的结构和工作原理(n沟道) $$ 这种类型的 MOSFET 只能工作在增强模式，没有耗尽模式。和 D-MOSFET 的结构不同，它没有物理沟道。在图 4-26a 中可以看出，衬底完全延伸到 SiO$_2$ 层。
对于 n 沟道器件，一个大于阈值电压 $V_{GS(th)}$ 的正栅极电压，能够在衬底与 SiO$_2$ 层相邻的区域产生薄的负电荷层，从而感应出一个沟道，如图 4-26b 所示。沟道的导电性可以通过增大栅源电压来提高，因为这可以使更多的电子进入沟道。对于任何低于阈值电压的栅极电压，不会产生沟道。
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a）n沟道~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b）p沟道
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$$ 图4-27~~~~E-MOSFET的电路符号 $$ n 沟道和 p 沟道 E-MOSFET 的电路符号如图4-27所示。其中不连续的线表示器件没有物理沟道。
因为如果栅极上没有加上电压则没有沟道存在，所以E-MOSFET可以被看成一个常关器件。此外，它的传输特性与JFET和 D-MOSFET的有相同的形状，但是现在 n 沟道器件的栅极必须为正以使得器件导通。这意味着对于 n 沟道E-MOSFET来说 $V_{GS(off)}$ 是一个正电压。典型的特性如图4-28所示。将它与图4-25中的 D-MOSFET 特性进行比较。
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图4-28~~~典型E-MOSFET的传输特性
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4.4.3双栅极MOSFET
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a)D-MOSFET~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b)E-MOSFET
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图4-29~~~~双栅极n沟道MOSFET电路符号
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双栅极 MOSFET 要么是耗尽型，要么是增强型。唯一的区别是它有两个栅极，如图 4-29 所示。FET 的一个缺陷是输入电容很大，这限制了其在高频中的应用。使用双栅极器件可以减小输人电容，这样器件就可以在高频射频放大器应用中有更好的使用。双栅极组态的另一个优点是它可以在射频放大器中实现自动增益控制(AGC)输入系统例子4-1 中给出了另外一个应用，其中第二个栅极上的偏置用来调整跨导曲线。
4.4.5预防措施
由于 MOSFET 的栅极与沟道绝缘，因此输入电阻非常高(理想情况下为无穷大)。对一个典型 MOSFET 来说，它的栅极泄漏电流 $I_{GSS}$ 为皮安级，而典型 JFET 的栅极反向电流为纳安级。当然，输人电容来源于绝缘栅的结构。因为输入电容与非常高的输入电阻组合在一起会积累过量的静电，并可能会因为静电放电(ESD)而造成器件损坏。事实上，ESD 是 MOSFET 损坏的最大原因。为了避免 ESD 和可能带来的损坏，应该要采取以下预防措施。
- 金属-氧化物半导体(MOS)器件应该用导电泡沫运输和存储。
- 用于组装和测试的所有仪器与金属台必须接到地球地(墙外用圆形针)
- 组装者或操作者的手腕必须用长电线和高阻值串联电阻接地。
- 永远不要在电源接通的情况下移除 MOS 器件(或者其他任何器件)。
- 不要在直流电源关闭的时候向 MOS 器件加上任何信号。