金属氧化物半导体场效应管

使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管

金属氧化物半导体场效应管（英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。

基本信息

金属氧化物半导体场效应管依照其“沟道”极性的不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常被称为N型金氧半场效晶体管（NMOSFET）与P型金氧半场效晶体管（PMOSFET）。

以金氧半场效晶体管（MOSFET）的命名来看，事实上会让人得到错误的印象。因为MOSFET跟英文单字“metal（金属）”的第一个字母M，在当下大部分同类的组件里是不存在的。早期金氧半场效晶体管栅极使用金属作为材料，但随着半导体技术的进步，现代的金氧半场效晶体管栅极已用多晶硅取代了金属。

金氧半场效晶体管在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET）。而IGFET的栅极绝缘层，有可能是其他物质，而非金氧半场效晶体管使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管组件时比较喜欢用IGFET，但是这些IGFET多半指的是金氧半场效晶体管。

金氧半场效晶体管里的氧化层位于其沟道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃（Å）不等，通常材料是二氧化硅（SiO2），不过有些新的高级制程已经可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做为氧化层之用。

今日半导体组件的材料通常以硅为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM使用硅与锗的混合物所发展的硅锗制程（SiGe process）。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造金氧半场效晶体管组件。

当一个够大的电位差施于金氧半场效晶体管的栅极与源极之间时，电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷，而这时就会形成所谓的“反转沟道”（inversion channel）。沟道的极性与其漏极（drain）与源极相同，假设漏极和源极是n型，那么沟道也会是n型。沟道形成后，金氧半场效晶体管即可让电流通过，而依据施于栅极的电压值不同，可由金氧半场效晶体管的沟道流过的电流大小亦会受其控制而改变。

电路符号

常用于金氧半场效晶体管的电路符号有多种形式，最常见的设计是以一条垂直线代表沟道（Channal），两条和沟道平行的接线代表源极（Source）与漏极（Drain），左方和沟道垂直的接线代表栅极（Gate），如下图所示。有时也会将代表沟道的直线以虚线代替，以区分增强型（enhancement mode，又称增强式）金氧半场效晶体管或是耗尽型（depletion mode，又称耗尽式）金氧半场效晶体管。

由于集成电路芯片上的金氧半场效晶体管为四端组件，所以除了源极（S）、漏极（D）、栅极（G）外，尚有一基极（Bulk或是Body）。金氧半场效晶体管电路符号中，从沟道往右延伸的箭号方向则可表示此组件为n型或是p型的金氧半场效晶体管。箭头方向永远从P端指向N端，所以箭头从沟道指向基极端的为p型的金氧半场效晶体管，或简称PMOS（代表此组件的沟道为p型）；反之则代表基极为p型，而沟道为n型，此组件为n型的金氧半场效晶体管，简称NMOS。在一般分散式金氧半场效晶体管组件中，通常把基极和源极接在一起，故分散式金氧半场效晶体管通常为三端组件。而在集成电路中的金氧半场效晶体管通常因为使用同一个基极（common bulk），所以不标示出基极的极性，而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。

操作原理

金氧半场效晶体管的核心

金属—氧化层—半导体结构

金氧半场效晶体管在结构上以一个金属—氧化物层—半导体的电容为核心（金氧半场效晶体管多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料），氧化层的材料多半是二氧化硅，其下是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。这样的结构正好等于一个电容器（capacitor），氧化层为电容器中介电质（dielectric material），而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数（dielectric constant）来决定。栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点。

当一个电压施加在MOS电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟着改变。考虑一个p型的半导体（电洞浓度为NA）形成的MOS电容，当一个正的电压VGB施加在栅极与基极端（如图）时，电洞的浓度会减少，电子的浓度会增加。当VGB够强时，接近栅极端的电子浓度会超过电洞。这个在p-type半导体中，电子浓度（带负电荷）超过电洞（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反转层（inversion layer）。

MOS电容的特性决定了金氧半场效晶体管的操作特性，但是一个完整的金氧半场效晶体管结构还需要一个提供多数载流子（majority carrier）的源极以及接受这些多数载流子的漏极。

金氧半场效晶体管的结构

如前所述，金氧半场效晶体管的核心是位于中央的MOS电容，而左右两侧则是它的源极与漏极。源极与漏极的特性必须同为n-type（即NMOS）或是同为p-type（即PMOS）。左图NMOS的源极与漏极上标示的“N+”代表着两个意义：(1)N代表掺杂（doped）在源极与漏极区域的杂质极性为N；（2）“+”代表这个区域为高掺杂浓度区域（heavily doped region），也就是此区的电子浓度远高于其他区域。在源极与漏极之间被一个极性相反的区域隔开，也就是所谓的基极（或称基体）区域。如果是NMOS，那么其基体区的掺杂就是p-type。反之对PMOS而言，基体应该是n-type，而源极与漏极则为p-type（而且是重掺杂的P+）。基体的掺杂浓度不需要如源极或漏极那么高，故在左图中没有“+”。

对这个NMOS而言，真正用来作为沟道、让载流子通过的只有MOS电容正下方半导体的表面区域。当一个正电压施加在栅极上，带负电的电子就会被吸引至表面，形成沟道，让n-type半导体的多数载流子—电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除，或是放上一个负电压，那么沟道就无法形成，载流子也无法在源极与漏极之间移动。

假设操作的对象换成PMOS，那么源极与漏极为p-type、基体则是n-type。在PMOS的栅极上施加负电压，则半导体上的空穴会被吸引到表面形成沟道，半导体的多数载流子—空穴则可以从源极流向漏极。假设这个负电压被移除，或是加上正电压，那么沟道无法形成，一样无法让载流子在源极和漏极间移动。

特别要说明的是，源极在金氧半场效晶体管里的意思是“提供多数载流子的来源”。对NMOS而言，多数载流子是电子；对PMOS而言，多数载流子是空穴。相对的，漏极就是接受多数载流子的端点。

金氧半场效晶体管的操作模式

依照在金氧半场效晶体管的栅极、源极，与漏极等三个端点施加的“偏置”（bias）不同，一个常见的加强型（enhancement mode）n-type。

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