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| 氧化物半導體場效應管 | |
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氧化物半導體場效應管，金屬氧化物半導體場效應管(英語:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管。[1]
基本信息
中文名稱 金屬氧化物半導體場效應管 [2]
外文名稱 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
簡稱 金氧半場效晶體管
本質 模擬電路與數字電路的場效晶體管
基本信息
金屬氧化物半導體場效應管(英語:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管。金屬氧化物半導體場效應管依照其"溝道"極性的不同，可分為電子占多數的N溝道型與空穴占多數的P溝道型，通常被稱為N型金氧半場效晶體管(NMOSFET)與P型金氧半場效晶體管(PMOSFET)。
以金氧半場效晶體管(MOSFET)的命名來看，事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET跟英文單字"metal(金屬)"的第一個字母M，在當下大部分同類的組件里是不存在的。早期金氧半場效晶體管柵極使用金屬作為材料，但隨着半導體技術的進步，現代的金氧半場效晶體管柵極已用多晶硅取代了金屬。
金氧半場效晶體管在概念上屬於"絕緣柵極場效晶體管"(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET)。而IGFET的柵極絕緣層，有可能是其他物質，而非金氧半場效晶體管使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場效晶體管組件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是金氧半場效晶體管。
金氧半場效晶體管里的氧化層位於其溝道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃(Å)不等，通常材料是二氧化硅(SiO2)，不過有些新的高級製程已經可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做為氧化層之用。
今日半導體組件的材料通常以硅為首選，但是也有些半導體公司發展出使用其他半導體材料的製程，當中最著名的例如IBM使用硅與鍺的混合物所發展的硅鍺製程(SiGe process)。而可惜的是很多擁有良好電性的半導體材料，如砷化鎵(GaAs)，因為無法在表面長出品質夠好的氧化層，所以無法用來製造金氧半場效晶體管組件。
當一個夠大的電位差施於金氧半場效晶體管的柵極與源極之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時就會形成所謂的"反轉溝道"(inversion channel)。溝道的極性與其漏極(drain)與源極相同，假設漏極和源極是n型，那麼溝道也會是n型。溝道形成後，金氧半場效晶體管即可讓電流通過，而依據施於柵極的電壓值不同，可由金氧半場效晶體管的溝道流過的電流大小亦會受其控制而改變。
電路符號
常用於金氧半場效晶體管的電路符號有多種形式，最常見的設計是以一條垂直線代表溝道(Channal)，兩條和溝道平行的接線代表源極(Source)與漏極(Drain)，左方和溝道垂直的接線代表柵極(Gate)，如下圖所示。有時也會將代表溝道的直線以虛線代替，以區分增強型(enhancement mode，又稱增強式)金氧半場效晶體管或是耗盡型(depletion mode，又稱耗盡式)金氧半場效晶體管。
由於集成電路芯片上的金氧半場效晶體管為四端組件，所以除了源極(S)、漏極(D)、柵極(G)外，尚有一基極(Bulk或是Body)。金氧半場效晶體管電路符號中，從溝道往右延伸的箭號方向則可表示此組件為n型或是p型的金氧半場效晶體管。箭頭方向永遠從P端指向N端，所以箭頭從溝道指向基極端的為p型的金氧半場效晶體管，或簡稱PMOS(代表此組件的溝道為p型);反之則代表基極為p型，而溝道為n型，此組件為n型的金氧半場效晶體管，簡稱NMOS。在一般分散式金氧半場效晶體管組件中，通常把基極和源極接在一起，故分散式金氧半場效晶體管通常為三端組件。而在集成電路中的金氧半場效晶體管通常因為使用同一個基極(common bulk)，所以不標示出基極的極性，而在PMOS的柵極端多加一個圓圈以示區別。
操作原理
金氧半場效晶體管的核心
金屬-氧化層-半導體結構
金氧半場效晶體管在結構上以一個金屬-氧化物層-半導體的電容為核心(金氧半場效晶體管多半以多晶硅取代金屬作為其柵極材料)，氧化層的材料多半是二氧化硅，其下是作為基極的硅，而其上則是作為柵極的多晶硅。
這樣的結構正好等於一個電容器(capacitor)，氧化層為電容器中介電質(dielectric material)，而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數(dielectric constant)來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為MOS電容的兩個端點。
當一個電壓施加在MOS電容的兩端時，半導體的電荷分布也會跟着改變。考慮一個p型的半導體(電洞濃度為NA)形成的MOS電容，當一個正的電壓VGB施加在柵極與基極端(如圖)時，電洞的濃度會減少，電子的濃度會增加。當VGB夠強時，接近柵極端的電子濃度會超過電洞。這個在p-type半導體中，電子濃度(帶負電荷)超過電洞(帶正電荷)濃度的區域，便是所謂的反轉層(inversion layer)。
MOS電容的特性決定了金氧半場效晶體管的操作特性，但是一個完整的金氧半場效晶體管結構還需要一個提供多數載流子(majority carrier)的源極以及接受這些多數載流子的漏極。
金氧半場效晶體管的結構
如前所述，金氧半場效晶體管的核心是位於中央的MOS電容，而左右兩側則是它的源極與漏極。源極與漏極的特性必須同為n-type(即NMOS)或是同為p-type(即PMOS)。左圖NMOS的源極與漏極上標示的"N+"代表着兩個意義:(1)N代表摻雜(doped)在源極與漏極區域的雜質極性為N;(2)"+"代表這個區域為高摻雜濃度區域(heavily doped region)，也就是此區的電子濃度遠高於其他區域。
在源極與漏極之間被一個極性相反的區域隔開，也就是所謂的基極(或稱基體)區域。如果是NMOS，那麼其基體區的摻雜就是p-type。反之對PMOS而言，基體應該是n-type，而源極與漏極則為p-type(而且是重摻雜的P+)。基體的摻雜濃度不需要如源極或漏極那麼高，故在左圖中沒有"+"。
對這個NMOS而言，真正用來作為溝道、讓載流子通過的只有MOS電容正下方半導體的表面區域。當一個正電壓施加在柵極上，帶負電的電子就會被吸引至表面，形成溝道，讓n-type半導體的多數載流子-電子可以從源極流向漏極。如果這個電壓被移除，或是放上一個負電壓，那麼溝道就無法形成，載流子也無法在源極與漏極之間移動。
假設操作的對象換成PMOS，那麼源極與漏極為p-type、基體則是n-type。在PMOS的柵極上施加負電壓，則半導體上的空穴會被吸引到表面形成溝道，半導體的多數載流子-空穴則可以從源極流向漏極。假設這個負電壓被移除，或是加上正電壓，那麼溝道無法形成，一樣無法讓載流子在源極和漏極間移動。
特別要說明的是，源極在金氧半場效晶體管里的意思是"提供多數載流子的來源"。對NMOS而言，多數載流子是電子;對PMOS而言，多數載流子是空穴。相對的，漏極就是接受多數載流子的端點。
金氧半場效晶體管的操作模式
依照在金氧半場效晶體管的柵極、源極，與漏極等三個端點施加的"偏置"(bias)不同，一個常見的加強型(enhancement mode)n-type。