以下文章來源于電路仿真從零開始，作者電路仿真從零開始

在電子世界的晶體管家族中，NMOS（N 型金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）與 PMOS（P 型金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）如同一對(duì)默契的 “電子開關(guān)”，掌控著電路中電流的流動(dòng)。作為 MOSFET（Metal-Oxide Field-Effect Transistor）的兩種核心類型，它們憑借高輸入阻抗、快速開關(guān)能力等特性，成為集成電路設(shè)計(jì)的基石 —— 從手機(jī)芯片到計(jì)算機(jī)處理器，處處可見它們的身影，如同電子系統(tǒng)中不知疲倦的 “守門人”，依據(jù)電壓信號(hào)決定是否放行電流。

金屬 - 氧化物場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide Field-Effect Transistor，簡稱 MOSFET），這類器件在混合信號(hào)儀器、專用集成電路（ASIC）和開關(guān)電源中應(yīng)用廣泛。理解 NMOS 與 PMOS 晶體管的原理、應(yīng)用場景及實(shí)現(xiàn)方式至關(guān)重要 —— 它們已成為幾乎所有電子應(yīng)用的首選晶體管，憑借極高的輸入阻抗、快速開關(guān)能力、低導(dǎo)通電阻及極小的占位面積，完美適配高密度設(shè)計(jì)需求。

NMOS 與 PMOS 模型

從電子學(xué)角度看，晶體管的工作原理十分簡潔：它具有三個(gè)主要端子，其中一個(gè)端子的電流可通過另外兩個(gè)端子之間的電壓來控制。對(duì) MOSFET 而言，柵極與源極之間的電壓（VGS）控制著流經(jīng)漏極的電流（ID）。漏極電流與柵源電壓的關(guān)系呈強(qiáng)非線性，其工作狀態(tài)分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的條件、特性及方程如下表所述：

上展示了 NMOS 的符號(hào)、特性曲線及工作模式。實(shí)際應(yīng)用中，這些工作模式描述了漏極電流（ID）對(duì)漏源電壓（VDS）變化的響應(yīng)規(guī)律，是理解 MOSFET 應(yīng)用的關(guān)鍵。在截止區(qū)，晶體管相當(dāng)于漏源之間的開路；在線性區(qū)，VDS 與 ID 近似呈歐姆關(guān)系；而在飽和區(qū)，理想情況下電流與 VDS 無關(guān)。溝道長度調(diào)制效應(yīng)會(huì)使電流無法完全獨(dú)立于 VDS，因此 λ 項(xiàng)用于描述飽和區(qū)中電流隨 VDS 的變化。常數(shù) Kn 和 Kp 取決于 MOSFET 的材料（氧化層電容與電荷遷移率）和幾何尺寸（溝道寬度 W 與長度 L）。微電子電路設(shè)計(jì)中，工程師可通過調(diào)整 W 和 L 的值來控制電流方程，而柵源電壓 VGS 則用于控制晶體管的工作模式。

PMOS 與 NMOS 的類型差異

MOSFET 分為兩種類型：NMOS 和 PMOS，其核心區(qū)別在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：NMOS 以 N 型摻雜半導(dǎo)體作為源極和漏極，P 型半導(dǎo)體作為襯底；PMOS 則相反。這一差異對(duì)晶體管功能產(chǎn)生多重影響（見上表），最顯著的是漏極電流方向與電壓極性 ——PMOS 的閾值電壓 VTH、VGS 和 VDS 均為負(fù)值。其次，載流子類型不同：NMOS 以電子為多數(shù)載流子，PMOS 則以空穴為多數(shù)載流子，這直接影響了 K 常數(shù)，導(dǎo)致二者特性差異如下：

NMOS 速度快于 PMOS；

NMOS 的導(dǎo)通電阻約為 PMOS 的一半；

PMOS 抗噪性更強(qiáng)；

相同輸出電流下，NMOS 的占位面積小于 PMOS；

盡管 NMOS 因上述優(yōu)勢(shì)應(yīng)用更廣泛，但許多場景仍依賴 PMOS 的偏置特性。在模擬與數(shù)字微電子領(lǐng)域，二者均被廣泛使用，其中最經(jīng)典的 MOS 結(jié)構(gòu)當(dāng)屬互補(bǔ)型 MOS（CMOS）。如上圖 所示，這種結(jié)構(gòu)可作為數(shù)字反相器：當(dāng)柵極電壓 VG 為低電平時(shí)，NMOS 截止、PMOS 導(dǎo)通，形成從輸出到電源 VCC 的低阻抗通路；當(dāng) VG 為高電平時(shí)，NMOS 導(dǎo)通、PMOS 截止，輸出端與地形成低阻抗連接。這確保了輸出引腳始終連接到穩(wěn)定明確的電壓，是數(shù)字系統(tǒng)的核心需求 —— 當(dāng)然，設(shè)計(jì)時(shí)需保證 NMOS 與 PMOS 對(duì)稱工作。

體效應(yīng)

盡管晶體管的工作原理可通過柵、漏、源三極描述，但 MOSFET 實(shí)際是四端器件，第四端稱為體端（body），連接到晶體管的襯底。若體端與源極之間的電壓非零，晶體管將產(chǎn)生體效應(yīng) —— 這一效應(yīng)會(huì)改變閾值電壓 VT，雖可用于動(dòng)態(tài)調(diào)整晶體管特性，但通常被視為不良影響，多見于體端未直接連接源極電壓的情況。為簡化分析，本文所有方程均假設(shè) VBS=0V，即忽略體效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)與物理工作原理

MOS 晶體管制造于硅晶圓之上，通過半導(dǎo)體摻雜與氧化層生長，以逐層方式構(gòu)建 N 型、P 型及絕緣區(qū)域，再通過光刻與化學(xué)蝕刻工藝形成幾何形狀。NMOS 與 PMOS 的橫截面示意圖如下圖所示。

漏極與源極區(qū)域采用重?fù)诫s ——NMOS 為 N 型摻雜，PMOS 為 P 型摻雜，襯底則采用相反類型摻雜（NMOS 為 P 型襯底，PMOS 為 N 型襯底）。這種交替摻雜形成耗盡區(qū)，阻斷漏源之間的電流，即截止區(qū)的物理本質(zhì)。柵極連接到一層薄二氧化硅，將柵極與襯底絕緣。當(dāng)柵極施加電壓時(shí)，電場會(huì)將少數(shù)載流子吸引至二氧化硅層下方 —— 這正是 MOSFET 中 “場效應(yīng)晶體管（FET）” 的工作核心。當(dāng)該區(qū)域積累足夠電荷時(shí)，少數(shù)載流子轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄶?shù)載流子，形成與漏源同類型的溝道（如下圖所示）。使溝道發(fā)生反型的柵源電壓即為閾值電壓 VTH—— 這也是 NMOS 需要正電壓（吸引電子）、PMOS 需要負(fù)電壓（吸引空穴）以形成溝道的原因。

當(dāng) VDS 小于 VGS–VTH 時(shí)，固定 VGS 下的溝道呈現(xiàn)歐姆電阻特性（線性工作區(qū)）。當(dāng) VDS 超過該值后，漏極附近的電荷濃度歸零，溝道出現(xiàn) “夾斷”，這一現(xiàn)象標(biāo)志著飽和區(qū)與線性區(qū)的分界。隨著 VDS 增加，夾斷點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致溝道有效長度縮短，即前文所述的溝道長度調(diào)制效應(yīng)。