计算机简史第四章 电子时代之MOS管
MOS管：现代计算机的细胞
MOS管：现代计算机的细胞
MOS 管的发明
1959 年，就在集成电路和平面工艺相继问世的同时，贝尔实验室仿佛偷看了历史的剧本，正好研制出一种比 BJT 更适合集成新型晶体管，它的名字很长，叫金属氧化物半导体场效应晶体管（metal–oxide–semiconductor field-effect transistor），简称 MOSFET 或 MOS 管。
和 BJT 一样，MOS 管在结构上也分为 PNP 和 NPN 两种类型，分别唤作 P 型 MOS 管和 N 型 MOS 管，简称 PMOS 和 NMOS，两者原理类似，只是极性相反。
MOS 工作方式
mos 管的电路符号：
当栅极没有电压，它是截止的，漏极的电流无法通过
当我们给栅极增加电压，电路就导通了。
改变栅极上的电压，可以控制源极与漏极之间的电流大小乃至电路通断，因而 MOS 管同样可以用于放大器和逻辑电路。
MOS 原理
MOS 管的结构：蓝色区域是 N 型半导体，黄色区域的 P 型半导体
我们给 N 型半导体添加两个金属电极，并且接电：
此时电路是截止的 ，因为此时电路是 2 个二极管，且方向相反：
为了能够导通，在 P 区加了一个很薄的二氧化硅绝缘层（红色部分），绝缘层上面加了一个金属板（黑色部分），形成栅极 。我们给栅极也接上电：
此时栅极那里，就有电压，就会将电子吸引过来，把栅极赶走；当电压越大，吸引的电子越多
当自由电子够多，就形成 N 沟道（之所以这么叫是因为它是 N 型半导体之间的沟道），它取代了原本的 PN 结，使得两个 N 型半导体之间的空穴不存在
此时，我们可以将两个 N 型半导体和 N 沟道，看成是一整个 N 型半导体：
所以，在栅极施加电压后，电路就导通了！当我们把栅极的电压去掉，N 沟道就消失了。此时 MOS 管会截止电流。
下面说两个 MOS 管的特性：
- MOS 管的栅极 输入阻抗非常高，这是因为有绝缘层的存在 ，输入电阻能达到上亿欧姆。所以输入几乎不取电流，功耗很低，现代计算机基本都是使用 MOS 管
- MOS 管的栅极容易被静电击穿，造成绝缘层损坏，导致 MOS 管用不了
现在我们在看看这个电路符号，可以很好的理解：栅极的那个就是金属板，右边 3 个小竖线就是 2 个 N 型半导体和 N 沟道，箭头就是指电流的方向：
MOS 管全称是金属氧化物半导体场效应晶体管（metal–oxide–semiconductor field-effect transistor），这里场效应就是指给栅极施加电压时，会吸引电子形成 N 沟道。
MOS 管的优点
比起 BJT，MOS 管还有着诸多优势：
- 由于栅极和衬底之间没有电流，能耗更低
- 只有一种半导体参与导电，更稳定，更可靠；（更准确地说，是只有一种载流子（电子或空穴）参与导电。而 BJT 的导电过程中，电子和空穴都在运动，这也是其名中“双极”的由来，而 MOS 管属于单极晶体管）
- 源极和漏极是等效的，可以互换使用，结构更简单，使用更方便
- 最重要的是，集成工艺更简单、集成度更高
MOS 管问世后，包括 BJT 在内的其他晶体管几乎被碾压似的赶出了市场，1960～2018 年间，MOS 管的全球总产量高达 13 × 1021，占所有晶体管产量的 99.9% 以上。它的集成度有多高？一张 256GB 的 MicroSD 卡（长 15mm、宽 11mm）上包含着一万亿个 MOS 管，比银河系中的恒星还多得多。
三星公司于2016年推出的256GB MicroSD卡（图片来自https://news.samsung.com/global/wp-content/themes/btr_newsroom/download.php?id=3jp6Z3P2LQZRq3z1F%2F1tBritXa%2B8xRko9OzCnT8j0zI%3D）
参考
Mos 管的工作原理：https://www.bilibili.com/video/BV1344y167qm
你怎么不早说！MOS 管符号这样区分我就懂了：https://www.bilibili.com/video/av896640014
