MOS管原理
双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）。另一种晶体管，叫做场效应管（fet），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。fet的增益等于它的transconductance， 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。
场效应管的名字也来源于它的输入端（称为gate）通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体，所以fet管的gate电流非常小。最普通的fet用一薄层二氧化硅来作为gate极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(mos)晶体管，或,金属氧化物半导体场效应管（mosfet）。因为mos管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。
首先考察一个更简单的器件－mos电容－能更好的理解mos管。这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是extrinsic silicon，他们之间由一薄层二氧化硅分隔开（图1.22a）。金属极就是gate，而半导体端就是backgate或者body。他们之间的绝缘氧化层称为gate dielectric。图示中的器件有一个轻掺杂p型硅做成的backgate。这个mos 电容的电特性能通过把backgate接地，gate接不同的电压来说明。图1.22a中的mos电容的gate电位是0v。金属gate和半导体backgate在work function上的差异在电介质上产生了一个小电场。图示的器件中，这个电场使金属极带轻微的正电位，p型硅负电位。这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。
图1.22b中是当mos电容的gate相对于backgate正偏置时发生的情况。穿过gate dielectric的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着gate电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子，硅表层看上去就像n型硅。掺杂极性的反转被称为inversion，反转的硅层叫做channel。随着gate电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累，channel变成了强反转。channel形成时的电压被称为阈值电压vt。当gate和backgate之间的电压差小于阈值电压时，不会形成channel。当电压差超过阈值电压时，channel就出现了。
图1.22 mos电容：（a）未偏置（vbg＝0v），（b）反转（vbg＝3v），（c）积累（vbg＝-3v）。
图1.22c中是当mos电容的gate相对于backgate是负电压时的情况。电场反转，往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了，这个器件被认为是处于accumulation状态了。
mos电容的特性能被用来形成mos管。图1.23a是最终器件的截面图。gate，电介质和backgate保持原样。在gate的两边是两个额外的选择性掺杂的区域。其中一个称为source，另一个称为drain。假设source 和backgate都接地，drain接正电压。只要gate对backgate的电压仍旧小于阈值电压，就不会形成channel。drain和backgate之间的pn结反向偏置，所以只有很小的电流从drain流向backgate。如果gate电压超过了阈值电压，在gate电介质下就出现了channel。这个channel就像一薄层短接drain和source的n型硅。由电子组成的电流从source通过channel流到drain。总的来说，只有在gate 对source电压v
图1.23 mosfet晶体管的截面图：nmos（a）和pmos（b）。在图中，s＝source，g=gate,d=drain。虽然backgate图上也有，但没有说明。
mos管的source和drain是可以对调的，他们都是在p型backgate中形成的n型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。在对称的mos管中，对soure和drain的标注有一点任意性。定义上，载流子流出source，流入drain。因此source和drain的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是不定的，两个引线端就会互相对换角色。这种情况下，电路设计师必须指定一个是drain另一个是source。
source和drain不同掺杂不同几何形状的就是非对称mos管。制造非对称晶体管有很多理由，但所有的最终结果都是一样的。一个引线端被优化作为drain，另一个被优化作为source。如果drain和source对调，这个器件就不能正常工作了。
图1.23a中的晶体管有n型channel所有它称为n-channel mos管，或nmos。p-channel mos（pmos）管也存在。图1.23b中就是一个由轻掺杂的n型backgate和p型source和drain组成的pmos管。如果这个晶体管的gate相对于backgate正向偏置，电子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有channel形成。如果gate相对于backgate反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此pmos管的阈值电压是负值。由于nmos管的阈值电压是正的，pmos的阈值电压是负的，所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说，“pmos vt从0.6v上升到0.7v”， 实际上pmos的vt是从-0.6v下降到-0.7v。