最近有读者问到一个看起来很基础的问题：

NMOS 为什么叫 NMOS？PMOS 又为什么叫 PMOS？

继续往下问，很快就会冒出更多问题。NMOS 里面为什么是电子导电？为什么它的衬底反而是 P 型？n+ Source 里的 n+ 又是什么意思？P 型里面的空穴到底是什么？Gate 和 Silicon 中间明明隔着一层绝缘的 SiO₂，为什么 Gate 加一个正电压以后，电子就会跑到 Channel 附近？

这些问题看起来很零碎，但它们其实都指向同一个核心：

MOSFET 到底是怎样利用电场，改变 Silicon 表面的载流子分布。

如果这个问题没有想明白，后面再讲 Floating Gate、Charge Trap、Vth，很多东西都只能记结论。

所以这一篇暂时不讲复杂的 PN 结，也不推 MOSFET 的电流公式。我们只把最基础的物理图像建立起来。

一、先从 Silicon 说起

Silicon，也就是硅，是制造 MOSFET 最常见的半导体材料之一。一个 Silicon 原子最外层有 4 个价电子。在 Silicon 晶体中，相邻原子通过共享价电子形成 Covalent Bond，也就是共价键。

理想情况下，纯 Silicon 既不是我们常说的 N 型，也不是 P 型。但是实际制造器件时，我们会向 Silicon 中加入少量其他元素，这个过程叫 Doping，掺杂。

掺入不同类型的杂质，可以让 Silicon 更容易依靠 Electron，也就是电子导电，或者更容易依靠 Hole，也就是空穴导电。于是就出现了 N-type Silicon，N 型硅 和 P-type Silicon，P 型硅。

N 型和 P 型最核心的区别，不是材料整体带正电还是负电，而是：

哪一种可移动载流子占主导。

N 型中 Electron 是多数载流子，P 型中 Hole 是多数载流子。整个半导体在宏观上仍然基本保持电中性。

二、N 型为什么叫 N 型？

先看 N 型。

如果向 Silicon 中掺入 Phosphorus，也就是磷，或者 Arsenic，也就是砷，这些原子会提供额外的 Electron。

以 Phosphorus 为例。Silicon 最外层有 4 个价电子，而 Phosphorus 最外层有 5 个价电子。当一个 Phosphorus 原子进入 Silicon 晶格后，其中 4 个价电子可以参与周围的共价键，还剩下一个电子。

这个额外电子比较容易参与导电。于是 Silicon 中可以移动的 Electron 数量明显增加。当 Electron 成为 Majority Carrier，也就是多数载流子以后，这块 Silicon 就表现为 N-type Silicon。

这里的 N 来自 Negative，也就是负。

但这个 Negative 指的是主要可移动载流子 Electron 带负电，不是说整块 N 型 Silicon 带负电。

所以有一个很容易混淆的地方：

Phosphorus 的化学符号是 P，但它通常用来制造 N 型 Silicon。

不要把元素符号和 P 型、N 型的字母对应起来。

三、P 型为什么叫 P 型？

反过来，如果向 Silicon 中掺入 Boron，也就是硼，情况就不同了。

Boron 最外层只有 3 个价电子，而 Silicon 原本需要 4 个价电子参与周围的共价键。所以 Boron 进入 Silicon 晶格以后，会出现一个“少了一个电子”的位置。

这个电子空位就是 Hole，空穴。

Hole 不是一颗真实存在的正电小球。它表示的是：

本来应该有一个电子的位置，现在缺了一个电子。

但是这个空位可以表现出移动。假设旁边一个价电子移动过来，把这个空位填上，原来的位置就不再有 Hole，但这个电子离开的地方又出现了一个新的 Hole。

所以从宏观上看，就像 Hole 自己在移动。

可以把它想成电影院里的空座位。如果一个人坐进前面的空位，那么他的旧座位又空出来。人实际上在移动，但是从“空座位”的角度看，空位也在移动。

因此，Hole 可以作为一种有效的载流子来处理。因为它代表“少了一个负电子”，所以在电学上等效为带正电。

当 Hole 成为多数载流子以后，这块 Silicon 就叫 P-type Silicon。这里的 P 来自 Positive。

所以：

P 型不是整块材料带正电。

P 型只是表示 Hole 是多数载流子。

四、这时候再看 NMOS 的结构

典型的 Enhancement-mode NMOS，也就是增强型 NMOS，结构可以先简单看成这样：

最下面是一块 P-type Body，P 型体区。里面做两个局部区域，一个是 n+ Source，另一个是 n+ Drain。

这里的 n+ 也很容易误解。

n 表示 N-type，也就是 Electron 是多数载流子。后面的 + 不表示正电，而表示 Heavily Doped，重掺杂。

所以：

n+ Source = 重掺杂的 N 型 Source 区域。

NMOS 的 Source 和 Drain 通常通过引入 Arsenic 或 Phosphorus 这类 N 型杂质形成。因为掺杂很重，这些区域中的 Electron 浓度很高，电阻也比较低。

五、一个很反直觉的问题：为什么 NMOS 的 Body 反而是 P 型？

很多人第一次看到 NMOS，会下意识觉得：

NMOS 里面是不是应该全都是 N 型？

其实不是。

典型增强型 NMOS 的 Body 恰恰是 P 型。

原因在于，增强型 NMOS 希望在没有 Gate 控制时，Source 和 Drain 之间不存在一条完整的 N 型导电 Channel。

两个 n+ 区域中间被 P 型区域隔开。

这时候 Gate 还没有建立出足够强的电场，因此中间没有完整的 N-type Channel。

接下来，我们给 Gate 加一个比 Source 更高的正电压。Gate 相对于 Source 的这个电压差，通常记作 VGS，Gate-to-Source Voltage，栅源电压。

这里先不用记公式。

只需要知道：

VGS 描述的是 Gate 相对于 Source 高了多少电压。

当 VGS 足够大以后，Gate 会通过电场改变下面 P 型 Silicon 表面的载流子分布。这个过程，才是 NMOS 真正开始“工作”的地方。

六、Gate 和 Silicon 明明隔着 SiO₂，为什么还能控制电子？

Gate 和 Silicon 中间隔着 SiO₂，二氧化硅。SiO₂ 是绝缘材料，所以正常工作时，Gate 并不是靠向 Channel 直接灌入电流来控制 MOSFET。

它靠的是：

Electric Field，电场。

可以把 Gate、SiO₂ 和下面的 Silicon 想成一个电容结构。Gate 在上面，Silicon 在下面，SiO₂ 夹在中间。即使 Electron 不能轻易直接穿过 SiO₂，Gate 产生的电场仍然可以作用到下面的 Silicon。

所以：

Gate 不负责制造 Electron。

Gate 负责改变 Silicon 表面 Electron 和 Hole 的分布。

这个区别非常重要。

七、Gate 加正电压以后，为什么 Hole 会离开？

我们继续看 NMOS。

当 Gate 相对于 Source 变得更正时，Gate 一侧会建立更强的正电势。P-type Body 中的多数载流子是 Hole，而 Hole 在电学模型中等效为正载流子。

同性电荷相斥，所以 Gate 产生的 Electric Field 会使 Silicon 表面附近的 Hole 向远离 Gate 的方向移动。

这里说“Hole 移动”，不是说有一个真实的空洞小球被推走。微观上仍然是价电子不断改变位置，但是在器件分析里，我们可以等效地把它看成 Hole 的运动。

随着表面附近的 Hole 逐渐减少，Gate 下方会出现一块缺少可移动多数载流子的区域。

这个区域叫：

Depletion Region，耗尽区。

这里“耗尽”的主要是可移动多数载流子。对于 P 型 Body 来说，就是 Hole。

八、那 Electron 为什么又会被 Gate 吸引过来？

Gate 电压继续增加以后，正 Gate 产生的 Electric Field 进一步增强。

Electron 带负电，所以它受到的电场作用方向和 Hole 相反。Electron 会逐渐向 SiO₂ 和 Silicon 的界面附近聚集。

注意，这些 Electron 并不是穿过 SiO₂ 跑进 Gate。SiO₂ 仍然是绝缘层。Electron 是聚集在 Silicon 一侧的表面。

当表面的 Electron 数量继续增加，直到这一薄层里的 Electron 开始占主导时，Silicon 表面的导电特性就发生了变化。

原来这里属于 P 型 Body，Hole 占主导。

现在表面这一薄层变成 Electron 占主导。

这个过程叫：

Inversion，反型。

也就是说，表面的导电类型“反过来了”。

九、为什么这个叫 N-channel？

现在最开始的问题终于可以回答了。

Source 到 Drain 之间出现了一条连续的、以 Electron 为主要载流子的导电路径。

这条路径就是：

N-type Channel，N 型沟道。

所以它叫：

N-channel MOSFET。

简称：

NMOS。

这里的 N 不是说 Body 是 N 型，也不是说某个地方掺了一个名字以 N 开头的元素。

它真正描述的是：

工作时形成的 Channel 是 N 型 Channel，主要载流子是 Electron。

这也是理解 NMOS 这个名字最重要的一点。

十、那 Electron 到底从哪里来？

这里也经常出现一个误解。

Gate 不制造 Electron。

P 型 Silicon 本身也不是完全没有 Electron。P 型只表示 Hole 是 Majority Carrier，多数载流子，Electron 仍然作为 Minority Carrier，也就是少数载流子存在。

另外，NMOS 两边还有 n+ Source 和 n+ Drain。这些区域本身具有很高的 Electron 浓度。

所以实际 MOSFET 中并不缺少 Electron 的来源。Gate 做的事情，是通过 Electric Field 改变表面的电荷分布，使 Electron 更容易聚集到 Silicon Surface。

当表面 Electron 浓度高到足以形成 N 型反型层以后，N-channel 就建立起来了。

十一、PMOS 其实就是把整个过程反过来

PMOS 的基本逻辑正好反过来。

PMOS 通常位于 N 型 Body 或 N-well 中，Source 和 Drain 是 p+ 区域。当 Gate 相对于 Source 变得足够负时，表面的 Electron 被排开，而 Hole 在表面聚集。

最后，表面形成：

P-type Channel，P 型沟道。

这条 Channel 的主要载流子是 Hole，所以叫：

P-channel MOSFET。

简称：

PMOS。

因此 NMOS 和 PMOS 可以简单对应为：

器件
初始 Body
Gate 打开后形成的 Channel
主要载流子
NMOS
P 型
N 型 Channel
Electron
PMOS
N 型
P 型 Channel
Hole

决定 NMOS 还是 PMOS 的重点，是：

Channel 类型。

不是 Body 类型。

十二、所以为什么 NMOS 用电子，PMOS 用空穴？

现在答案其实已经很简单。

NMOS 工作时，Gate 在 P 型表面形成 N 型反型层。N 型 Channel 的多数载流子是 Electron，所以 NMOS 主要依靠 Electron 在 Channel 中运动。

PMOS 工作时，Gate 在 N 型表面形成 P 型反型层。P 型 Channel 的多数载流子是 Hole，所以 PMOS 主要依靠 Hole 在 Channel 中运动。

它不是工程师随便规定：

“NMOS 让电子走，PMOS 让空穴走。”

而是器件结构和 Gate Electric Field 共同作用以后产生的结果。

十三、再回头看 MOSFET 这个名字

MOSFET 的全称是：

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。

也就是：

金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

真正值得注意的是最后两个词：

Field Effect，场效应。

Gate 和 Channel 之间没有正常的直流导电连接。Gate 通过 Electric Field 改变半导体表面的 Carrier Distribution，也就是载流子分布。

于是整个过程可以概括为：

没有 Channel。

Gate 改变表面载流子。

表面发生 Inversion。

形成 Channel。

Source 和 Drain 通过这条 Channel 导电。

所以 MOSFET 最核心的一句话其实不是：

VGS 大于 Vth 就导通。

而是：

Gate 利用电场改变 Silicon 表面的载流子分布，从而建立并控制一条导电 Channel。

理解到这里以后，NMOS 和 PMOS 的名字也就没有那么神秘了。

NMOS 的 N 指 N-channel。

PMOS 的 P 指 P-channel。

而 N-channel 和 P-channel，又分别来自 Electron 和 Hole 谁在这条 Channel 中占主导。

写在最后

以前讲 NAND 的 Floating Gate、Threshold Voltage 和 Program / Erase 时，我们经常会直接说：

Floating Gate 中的 Electron 会改变 Cell 的 Vth。

这句话本身没有错。

但如果继续追问：

为什么多一些 Electron 就能改变 Vth？

最后还是会一路追到普通 MOSFET。

Gate 为什么能控制 Channel？P 型表面为什么可以变成 N 型？Electron 为什么会聚集在 SiO₂ 下方？所谓 Inversion 又到底反了什么？

这些看似很基础的问题，实际上就是理解 NAND Cell 的地基。

所以这一篇暂时不急着讲 Floating Gate。先把普通 NMOS 和 PMOS 真正看懂。

下一篇再回到 Floating Gate 时，就可以继续追一个更有意思的问题：

既然普通 MOSFET 是靠 Gate 电场控制 Channel，那么在 Gate 和 Channel 之间塞进一层能够保存 Electron 的 Floating Gate，又会发生什么？

这时候，“Electron 越多，Vth 越高”就不再是一句需要背下来的结论了。

谢谢你读我的文章