增强型 MOSFET 是应用最广泛的场效应晶体管。除了最后一节，我们整章讨论的都是增强型 MOSFET 。我们从它的物理元件结构和物理操作入手，在下一节我们会在本节的基础上学习 MOSFET 的电流-电压特性。

上图展示了n-沟道 增强型MOSFET的物理结构，首先第一步我们看到整个元件制作在一个以p类型的底物上，这通常是在一个单晶硅晶圆上切割下来的。第二步，在p类型底物上开出两个n类型的区域，分别为 n + n^+ n+ 源极 和 n + n^+ n+ 漏极 。第三步，将一层很薄的硅氧化物 S i O 2 SiO_2 SiO2​ 铺在源极和漏极之间的区域，硅氧化物是绝佳的绝缘体，这个厚度为 t o x t_{ox} tox​ 通常在1到10纳米左右。第四步，在源极、漏极、硅氧化物、底物上铺一层金属导体，在硅氧化物上铺一层金属负责形成栅极电极，简称 栅极 。在底物上的称为 体极 。字母分别简写为源极S，漏极D，栅极G，体极B。

介绍到这里这个名字的意义就显示出来（金属-氧化物-FET晶体管）。另外，还存在另一种不使用栅极的场效应管。实际上，大多数现代MOSFET都使用硅栅工艺进行制作，也就是多晶硅来形成栅极。我们今后不考虑工艺的影响。

MOSFET的另外一个名称是 隔绝栅极的场效应管 或是 IGFET 。通过观察物理结构我们发现，栅极通过硅氧化物从源极漏极隔离出来，不与源极漏极相连，实际使用上的栅极电流在 1 0 − 15 10^{-15} 10−15 安培左右。

底物分别和源极和漏极形成了两个pn结。在大多数情况下，这两个pn结总是反向偏置的。因为，我们以后会看到，漏极电压总是比源极电压高，因此在栅极无作用电压的情况下，漏极和源极被pn结所阻断不导通。在这里我们假设底物对pn结的作用无影响，进而MOSFET被看做是一个三端元件（分别是源极S，漏极D，栅极G）。马上我们将会展示，栅极电压G控制着源极S到漏极D之间的电流强度。电流从漏极纵向的通过沟道区域流向源极。注意到MOSFET的沟道区域有宽度 W W W 和长度 L L L 两个重要的参数。 一般情况下，长度大多在0.03到1微米之间，宽度在0.1到100微米之间。最后一点，MOSFET是一个对称元件，意味着源极和栅极可以交换而不影响电路的特性（实际上不总是这样，因为有结内电容和寄生二极管的影响）。

假设栅极电压为零，那么源极和漏极直接可以看做是两个背对背的二极管，两个背对背的二极管阻断了源极和漏极直接的电流，因此在栅极电压为零的情况下，源极和漏极之间具有很高的阻抗，大概在 1 0 12 10^{12} 1012 欧姆的数量级。

考虑下图的情况：

在这里我们将源极和漏极接地，并且在栅极应用一个正电压 v G S v_{GS} vGS​ 接下来我们考虑这个正电压对MOS管造成的影响。

首先第一方面，栅极附近（沟道区域）底物中的空穴（带正电）被向下排斥离开沟道区域，在沟道区域形成耗散区。这个耗散区填充了带价电子的接受原子。这些电荷是“裸露的”因为中性空穴被推至底物的下侧。

另一方面，栅极的正电压吸引源极和漏极中的电子，进入耗散区。当大量的电子聚集在栅极极板的下方，一个临时的连接着漏极和源极的n类型区域就被创建，如下图所示：

如果现在漏极和源极直接存在电压差，那么在漏极和源极之间就会形成由移动电子形成的电流，因此这个区域被称为电子沟道，也称 n-沟道 。这种类型的MOS管称为 n-沟道的MOSFET 简称 NMOS 晶体管。NMOS的工作方式是将沟道中的p类型底物翻转成n类型，导电的n层也称为 翻转层 。

为了形成沟道，电压 v G S v_{GS} vGS​ 有一个最低数值，称为 阈值电压 ，记作 V t V_t Vt​ 。显然 V t V_t Vt​ 对于NMOS来说是正电压，范围在0.3V-1.0V左右。

沟道和栅极的金属极板之间形成了一个平行板电容器，硅氧化物层充当电容的电介质。栅极的金属极板带正电为正极板，而沟道带负点为负极板。因为是平行板电容器，所以在电介质存在垂直的匀强电场。电场控制着沟道中电子的数量，进而决定沟道的导电性。也就是说，源极和漏极直接的电流强度受栅极和底物之间电容电场的控制，这个现象称为 场效应 。场效应晶体管因此得名。

平行板电容器直接的电压必须大于 V t V_t Vt​ 才能形成沟道。当源极和漏极均接地，也就是电压均为零，此时沟道沿着水平方向的电压是均匀的均为零，也就是平行板电容器之间的电压为 v G S v_{GS} vGS​ 。 v G S v_{GS} vGS​ 超过 V t V_t Vt​ 的电压称为 有效电压 或是 过驱动电压 ，并且过驱动电压的值决定着沟道中的电子数量，在本课程中，我们将 v G S − V t v_{GS} - V_t vGS​−Vt​ 记为 v O V v_{OV} vOV​ 。

v O V ≡ v G S − V t v_{OV} \equiv v_{GS} - V_t vOV​≡vGS​−Vt​

那么平行板电容器中的电荷量为：

∣ Q ∣ = C o x ( W L ) v O V |Q| = C_{ox} (WL) v_{OV} ∣Q∣=Cox​(WL)vOV​

在这里 C o x C_{ox} Cox​ 称作 氧化物容值 。这个是平行板电容器的单位面积电容值（单位 F / m 2 F/m^2 F/m2）。 W W W 是沟道宽度， L L L 是沟道长度。氧化物容值由以下方程给出：

C o x = ϵ o x t o x C_{ox} = \frac{\epsilon_{ox}}{t_{ox}} Cox​=tox​ϵox​​

在这里 ϵ o x \epsilon_{ox} ϵox​ 是硅氧化物的介电常数。

ϵ o x = 3.9 ϵ 0 = 3.45 × 1 0 − 11 F / m \epsilon_{ox} = 3.9\epsilon_0 = 3.45 \times 10^{-11} F/m ϵox​=3.9ϵ0​=3.45×10−11F/m

氧化物层厚度 t o x t_{ox} tox​ 由半导体制作工艺决定。

电荷量可以由沟道深度体现，也就是 v O V v_{OV} vOV​ 和电荷量和沟道深度成正比， v O V v_{OV} vOV​ 越大沟道越深。

介绍完MOS的导电原理-沟道，我们在源极和漏极之间应用电压 v D S v_{DS} vDS​ 。如下图所示：

我们假设电压值 v D S v_{DS} vDS​ 足够小（50mv左右），这个电压会在沟道中产生电流，电流由漏极流向源极，电子的方向相反。

我们想计算 i D i_D iD​ 的值，我们假设电压值 v D S v_{DS} vDS​ 足够小，以至于我们依然可以看沟道沿着水平方向的电压是均匀的并且等于 v G S v_{GS} vGS​。进而沟道沿着水平方向的有效电压均为 v O V v_{OV} vOV​ ，则单位长度的电容值是：

∣ Q ∣ L = C o x W v O V \frac{|Q|}{L} = C_{ox} W v_{OV} L∣Q∣​=Cox​WvOV​

沟道的水平电场强度为：

∣ E ∣ = v D S L |E| = \frac{v_{DS}}{L} ∣E∣=LvDS​​

这个沟道的水平电场强度决定了电子的漂移速度：

v e = μ n ∣ E ∣ = μ n v D S L v_e = \mu_n |E| = \mu_n \frac{v_{DS}}{L} ve​=μn​∣E∣=μn​LvDS​​

在这里 μ n \mu_n μn​ 是电子在n类型区域的迁移率。这个值取决于半导体制作工艺。

因此根据电流的微观表达式，漏极电流等于单位长度长的电荷量乘以电子的漂移速度：

i D = [ ( μ n C o x ) ( W / L ) v O V ] v D S i_D = [(\mu_nC_{ox})(W/L)v_{OV}]v_{DS} iD​=[(μn​Cox​)(W/L)vOV​]vDS​

因为沟道沿着水平方向的电压是均匀的，也可以写作是：

i D = [ ( μ n C o x ) ( W / L ) ( v G S − V t ) ] v D S i_D = [(\mu_nC_{ox})(W/L)(v_{GS} - V_t)]v_{DS} iD​=[(μn​Cox​)(W/L)(vGS​−Vt​)]vDS​

i D i_D iD​ 和 v D S v_{DS} vDS​ 之前存在电导关系，电导 g D S g_{DS} gDS​ 为：

g D S = ( μ n C o x ) ( W / L ) v O V = ( μ n C o x ) ( W / L ) ( v G S − V t ) g_{DS} = (\mu_nC_{ox})(W/L)v_{OV} = (\mu_nC_{ox})(W/L)(v_{GS} - V_t) gDS​=(μn​Cox​)(W/L)vOV​=(μn​Cox​)(W/L)(vGS​−Vt​)

第一个因子 ( μ n C o x ) (\mu_nC_{ox}) (μn​Cox​) 由硅半导体本身和半导体的制作工艺决定，也被称为 工艺互导参数 对于NMOS记为：

k n ′ = μ n C o x k_n' = \mu_nC_{ox} kn′​=μn​Cox​

单位为 A / V 2 A/V^2 A/V2 。

第二个因子 W / L W/L W/L 称为MOS管的 宽长比 。这个参数由MOS的型号、设计者所决定。通过改变MOS管的宽长比获得不同的导电特性。因为 W / L W/L W/L 具有无量纲特性，因此MOS的尺寸可以做的无限小。尽管如此，取决于当前的半导体的制作工艺，也存在一个最小值 L m i n L_{min} Lmin​ ，2009年45nm制程，到目前为止（2023年）最小制程为7nm，向5nm推进。最后，氧化层厚度也会随着减小。

将前两个因子相乘，我们得到特定MOS管的导电系数：

k n = k n ′ ( W / L ) k_n = k_n' (W/L) kn​=kn′​(W/L)

第三个因子 v O V v_{OV} vOV​ 由电路设计者决定， v O V v_{OV} vOV​ 决定了沟道的导电性。

给定一个确定的 g D S g_{DS} gDS​ 我们可以将MOS管看成一个电阻，具有阻值：

r D S = 1 g D S r_{DS} = \frac{1}{g_{DS}} rDS​=gDS​1​ 上图是阻性的CV特性曲线，当 v G S v_{GS} vGS​ 小于 V t V_t Vt​ 的时候，表现出无穷阻抗，随着 v G S v_{GS} vGS​ 增大，阻值减小，沟道变深，这个现象称为 沟道增强 因此这种的NMOS全称为 增强型 n-沟道 金属-氧化物场效应晶体管 。

最后一点，因为栅极的隔绝性导致 i G = 0 i_G = 0 iG​=0 ，因此 i S = i D i_S = i_D iS​=iD​ 。

接下来我们考虑当 v D S v_{DS} vDS​ 继续增大的情况。我们依旧假设 v G S > V t v_{GS} > V_t vGS​>Vt​ ，此时我们不能再看沟道沿着水平方向的电压是均匀的，而是一种沿水平方向的线性变化，如图：

此时，沟道电压从源极到漏极由零线性增长到 v D S v_{DS} vDS​ 。因此，平行板电容器电压从 v G S v_{GS} vGS​ 减小到 v G S − v D S v_{GS} - v_{DS} vGS​−vDS​ 。下图是使用图像表示电压分布：

则对应的沟道深度图像为：

当 v D S v_{DS} vDS​ 增大，沟道会变得更窄，进而沟道的电阻会逐渐变大。因此，则 i D − v D S i_D-v_{DS} iD​−vDS​ 曲线不再是一条直线，而是一条阻值逐渐变大的弯曲曲线，如图（注意我们现在只关心MOS在 v D S < V O V v_{DS} < V_{OV} vDS​