金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

常用于金氧半場(chǎng)效晶體管的電路符號(hào)有多種形式，最常見的設(shè)計(jì)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(shí)也會(huì)將代表溝道的直線以虛線代替，以區(qū)分增強(qiáng)型（enhancement mode，又稱增強(qiáng)式）金氧半場(chǎng)效晶體管或是耗盡型（depletion mode，又稱耗盡式）金氧半場(chǎng)效晶體管。

由于集成電路芯片上的金氧半場(chǎng)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(chǎng)效晶體管電路符號(hào)中，從溝道往右延伸的箭號(hào)方向則可表示此組件為n型或是p型的金氧半場(chǎng)效晶體管。箭頭方向永遠(yuǎn)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(chǎng)效晶體管，或簡(jiǎn)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(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱NMOS。在一般分散式金氧半場(chǎng)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(chǎng)效晶體管通常為三端組件。而在集成電路中的金氧半場(chǎng)效晶體管通常因?yàn)槭褂猛粋€(gè)基極（common bulk），所以不標(biāo)示出基極的極性，而在PMOS的柵極端多加一個(gè)圓圈以示區(qū)別。

金氧半場(chǎng)效晶體管的核心

金屬—氧化層—半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

金氧半場(chǎng)效晶體管在結(jié)構(gòu)上以一個(gè)金屬—氧化物層—半導(dǎo)體的電容為核心（金氧半場(chǎng)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(jié)構(gòu)正好等于一個(gè)電容器（capacitor），氧化層為電容器中介電質(zhì)（dielectric material），而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數(shù)（dielectric constant）來(lái)決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為MOS電容的兩個(gè)端點(diǎn)。

當(dāng)一個(gè)電壓施加在MOS電容的兩端時(shí)，半導(dǎo)體的電荷分布也會(huì)跟著改變?？紤]一個(gè)p型的半導(dǎo)體（電洞濃度為NA）形成的MOS電容，當(dāng)一個(gè)正的電壓VGB施加在柵極與基極端（如圖）時(shí)，電洞的濃度會(huì)減少，電子的濃度會(huì)增加。當(dāng)VGB夠強(qiáng)時(shí)，接近柵極端的電子濃度會(huì)超過(guò)電洞。這個(gè)在p-type半導(dǎo)體中，電子濃度（帶負(fù)電荷）超過(guò)電洞（帶正電荷）濃度的區(qū)域，便是所謂的反轉(zhuǎn)層（inversion layer）。

MOS電容的特性決定了金氧半場(chǎng)效晶體管的操作特性，但是一個(gè)完整的金氧半場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)還需要一個(gè)提供多數(shù)載流子（majority carrier）的源極以及接受這些多數(shù)載流子的漏極。

金氧半場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)

如前所述，金氧半場(chǎng)效晶體管的核心是位于中央的MOS電容，而左右兩側(cè)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(biāo)示的“N ”代表著兩個(gè)意義：(1)N代表?yè)诫s（doped）在源極與漏極區(qū)域的雜質(zhì)極性為N；（2）“ ”代表這個(gè)區(qū)域?yàn)楦邠诫s濃度區(qū)域（heavily doped region），也就是此區(qū)的電子濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。在源極與漏極之間被一個(gè)極性相反的區(qū)域隔開，也就是所謂的基極（或稱基體）區(qū)域。如果是NMOS，那么其基體區(qū)的摻雜就是p-type。反之對(duì)PMOS而言，基體應(yīng)該是n-type，而源極與漏極則為p-type（而且是重?fù)诫s的P ）?；w的摻雜濃度不需要如源極或漏極那么高，故在左圖中沒(méi)有“ ”。

對(duì)這個(gè)NMOS而言，真正用來(lái)作為溝道、讓載流子通過(guò)的只有MOS電容正下方半導(dǎo)體的表面區(qū)域。當(dāng)一個(gè)正電壓施加在柵極上，帶負(fù)電的電子就會(huì)被吸引至表面，形成溝道，讓n-type半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這個(gè)電壓被移除，或是放上一個(gè)負(fù)電壓，那么溝道就無(wú)法形成，載流子也無(wú)法在源極與漏極之間移動(dòng)。

假設(shè)操作的對(duì)象換成PMOS，那么源極與漏極為p-type、基體則是n-type。在PMOS的柵極上施加負(fù)電壓，則半導(dǎo)體上的空穴會(huì)被吸引到表面形成溝道，半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—空穴則可以從源極流向漏極。假設(shè)這個(gè)負(fù)電壓被移除，或是加上正電壓，那么溝道無(wú)法形成，一樣無(wú)法讓載流子在源極和漏極間移動(dòng)。

特別要說(shuō)明的是，源極在金氧半場(chǎng)效晶體管里的意思是“提供多數(shù)載流子的來(lái)源”。對(duì)NMOS而言，多數(shù)載流子是電子；對(duì)PMOS而言，多數(shù)載流子是空穴。相對(duì)的，漏極就是接受多數(shù)載流子的端點(diǎn)。

金氧半場(chǎng)效晶體管的操作模式

依照在金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極、源極，與漏極等三個(gè)端點(diǎn)施加的“偏置”（bias）不同，一個(gè)常見的加強(qiáng)型（enhancement mode）n-type。 2100433B

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（英語(yǔ)：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管依照其“溝道”極性的不同，可分為電子占多數(shù)的N溝道型與空穴占多數(shù)的P溝道型，通常被稱為N型金氧半場(chǎng)效晶體管（NMOSFET）與P型金氧半場(chǎng)效晶體管（PMOSFET）。

以金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）的命名來(lái)看，事實(shí)上會(huì)讓人得到錯(cuò)誤的印象。因?yàn)镸OSFET跟英文單字“metal（金屬）”的第一個(gè)字母M，在當(dāng)下大部分同類的組件里是不存在的。早期金氧半場(chǎng)效晶體管柵極使用金屬作為材料，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代的金氧半場(chǎng)效晶體管柵極已用多晶硅取代了金屬。

金氧半場(chǎng)效晶體管在概念上屬于“絕緣柵極場(chǎng)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(zhì)，而非金氧半場(chǎng)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(chǎng)效晶體管組件時(shí)比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是金氧半場(chǎng)效晶體管。

金氧半場(chǎng)效晶體管里的氧化層位于其溝道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數(shù)十至數(shù)百埃（?）不等，通常材料是二氧化硅（SiO2），不過(guò)有些新的高級(jí)制程已經(jīng)可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。

今日半導(dǎo)體組件的材料通常以硅為首選，但是也有些半導(dǎo)體公司發(fā)展出使用其他半導(dǎo)體材料的制程，當(dāng)中最著名的例如IBM使用硅與鍺的混合物所發(fā)展的硅鍺制程（SiGe process）。而可惜的是很多擁有良好電性的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs），因?yàn)闊o(wú)法在表面長(zhǎng)出品質(zhì)夠好的氧化層，所以無(wú)法用來(lái)制造金氧半場(chǎng)效晶體管組件。

當(dāng)一個(gè)夠大的電位差施于金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極與源極之間時(shí)，電場(chǎng)會(huì)在氧化層下方的半導(dǎo)體表面形成感應(yīng)電荷，而這時(shí)就會(huì)形成所謂的“反轉(zhuǎn)溝道”（inversion channel）。溝道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設(shè)漏極和源極是n型，那么溝道也會(huì)是n型。溝道形成后，金氧半場(chǎng)效晶體管即可讓電流通過(guò)，而依據(jù)施于柵極的電壓值不同，可由金氧半場(chǎng)效晶體管的溝道流過(guò)的電流大小亦會(huì)受其控制而改變。

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（簡(jiǎn)稱：金氧半場(chǎng)效晶體管；英語(yǔ)：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫：MOSFET），是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管依照其溝道極性的不同，可分為電子占多數(shù)的N溝道型與空穴占多數(shù)的P溝道型，通常被稱為N型金氧半場(chǎng)效晶體管（NMOSFET）與P型金氧半場(chǎng)效晶體管（PMOSFET）。

以金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）的命名來(lái)看，事實(shí)上會(huì)讓人得到錯(cuò)誤的印象。因?yàn)镸OSFET跟英文單字“metal（金屬）”的第一個(gè)字母M，在當(dāng)下大部分同類的組件里是不存在的。早期金氧半場(chǎng)效晶體管柵極使用金屬作為材料，但由于多晶硅在制造工藝中更耐高溫等特點(diǎn)，許多金氧半場(chǎng)效晶體管柵極采用后者而非前者金屬。然而，隨著半導(dǎo)體特征尺寸的不斷縮小，金屬作為柵極材料最近又再次得到了研究人員的關(guān)注。

金氧半場(chǎng)效晶體管在概念上屬于絕緣柵極場(chǎng)效晶體管（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET）。而絕緣柵極場(chǎng)效晶體管的柵極絕緣層，有可能是其他物質(zhì)，而非金氧半場(chǎng)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(chǎng)效晶體管組件時(shí)比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是金氧半場(chǎng)效晶體管。

金氧半場(chǎng)效晶體管里的氧化層位于其溝道上方，依照其工作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數(shù)十至數(shù)百埃（?）不等，通常材料是二氧化硅（SiO₂），不過(guò)有些新的高級(jí)工藝已經(jīng)可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。

今日半導(dǎo)體組件的材料通常以硅為首選，但是也有些半導(dǎo)體公司發(fā)展出使用其他半導(dǎo)體材料的工藝，當(dāng)中最著名的例如國(guó)際商業(yè)機(jī)器股份有限公司使用硅與鍺的混合物所發(fā)展的硅鍺工藝（SiGe process）。而可惜的是很多擁有良好電性的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs），因?yàn)闊o(wú)法在表面長(zhǎng)出質(zhì)量夠好的氧化層，所以無(wú)法用來(lái)制造金氧半場(chǎng)效晶體管組件。

當(dāng)一個(gè)夠大的電位差施于金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極與源極之間時(shí)，電場(chǎng)會(huì)在氧化層下方的半導(dǎo)體表面形成感應(yīng)電荷，而這時(shí)就會(huì)形成反轉(zhuǎn)溝道（inversion channel）。溝道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設(shè)漏極和源極是n型，那么溝道也會(huì)是n型。溝道形成后，金氧半場(chǎng)效晶體管即可讓電流通過(guò)，而依據(jù)施于柵極的電壓值不同，可由金氧半場(chǎng)效晶體管的溝道流過(guò)的電流大小亦會(huì)受其控制而改變。