金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管應(yīng)用優(yōu)勢

金氧半場效晶體管在1960年由貝爾實驗室的D. Kahng和Martin Atalla首次實現(xiàn)成功，這種組件的工作原理和1947年蕭克利等人發(fā)明的雙載流子接面晶體管截然不同，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高集成度的優(yōu)勢，在大規(guī)模集成電路或是超大規(guī)模集成電路的領(lǐng)域里，重要性遠超過BJT。

近年來由于金氧半場效晶體管組件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)字信號處理的場合上，也有越來越多模擬信號處理的集成電路可以用金氧半場效晶體管來實現(xiàn)，以下分別介紹這些應(yīng)用。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管數(shù)字電路

數(shù)字科技的進步，如微處理器運算性能不斷提升，帶給深入研發(fā)新一代金氧半場效晶體管更多的動力，這也使得金氧半場效晶體管本身的工作速度越來越快，幾乎成為各種半導(dǎo)體有源組件中最快的一種。金氧半場效晶體管在數(shù)字信號處理上最主要的成功來自互補式金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯電路的發(fā)明，這種結(jié)構(gòu)最大的好處是理論上不會有靜態(tài)的功率損耗，只有在邏輯門的切換動作時才有電流通過?；パa式金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯門最基本的成員是互補式金屬氧化物半導(dǎo)體反相器，而所有互補式金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯門的基本工作都如同反相器一樣，同一時間內(nèi)必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導(dǎo)通的狀態(tài)下，另一種必定是截止?fàn)顟B(tài)，這使得從電源端到接地端不會有直接導(dǎo)通的路徑，大量節(jié)省了電流或功率的消耗，也降低了集成電路的發(fā)熱量。

金氧半場效晶體管在數(shù)字電路上應(yīng)用的另外一大優(yōu)勢是對直流信號而言，金氧半場效晶體管的柵極端阻抗為無限大（等效于開路），也就是理論上不會有電流從金氧半場效晶體管的柵極端流向電路里的接地點，而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓金氧半場效晶體管和他們最主要的競爭對手BJT相較之下更為省電，而且也更易于驅(qū)動。在CMOS邏輯電路里，除了負責(zé)驅(qū)動芯片外負載（off-chip load）的驅(qū)動器外，每一級的邏輯門都只要面對同樣是金氧半場效晶體管的柵極，如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅(qū)動力。相較之下，BJT的邏輯電路（例如最常見的TTL）就沒有這些優(yōu)勢。金氧半場效晶體管的柵極輸入電阻無限大對于電路設(shè)計工程師而言亦有其他優(yōu)點，例如較不需考慮邏輯門輸出端的負載效應(yīng)（loading effect）。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管模擬電路

有一段時間，金氧半場效晶體管并非模擬電路設(shè)計工程師的首選，因為模擬電路設(shè)計重視的性能參數(shù)，如晶體管的跨導(dǎo)或是電流的驅(qū)動力上，金氧半場效晶體管不如BJT來得適合模擬電路的需求。但是隨著金氧半場效晶體管技術(shù)的不斷演進，今日的CMOS技術(shù)也已經(jīng)可以匹配很多模擬電路的規(guī)格需求。再加上金氧半場效晶體管因為結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沒有BJT的一些致命缺點，如熱破壞（thermal runaway）。另外，金氧半場效晶體管在線性區(qū)的壓控電阻特性亦可在集成電路里用來取代傳統(tǒng)的多晶硅電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容（PIP capacitor），甚至在適當(dāng)?shù)碾娐房刂葡驴梢员憩F(xiàn)出電感（inductor）的特性，這些好處都是BJT很難提供的。也就是說，金氧半場效晶體管除了扮演原本晶體管的角色外，也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動組件（passive device）。這樣的優(yōu)點讓采用金氧半場效晶體管實現(xiàn)模擬電路不但可以滿足規(guī)格上的需求，還可以有效縮小芯片的面積，降低生產(chǎn)成本。

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進步，對于集成更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升，此時用金氧半場效晶體管設(shè)計模擬電路的另外一個優(yōu)點也隨之浮現(xiàn)。為了減少在印刷電路板上使用的集成電路數(shù)量、減少封裝成本與縮小系統(tǒng)的體積，很多原本獨立的模擬芯片與數(shù)字芯片被集成至同一個芯片內(nèi)。金氧半場效晶體管原本在數(shù)字集成電路上就有很大的競爭優(yōu)勢，在模擬集成電路上也大量采用金氧半場效晶體管之后，把這兩種不同功能的電路集成起來的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合信號電路（Mixed-signal circuits），如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，也得以利用金氧半場效晶體管技術(shù)設(shè)計出性能更好的產(chǎn)品。

近年來還有一種集成金氧半場效晶體管與BJT各自優(yōu)點的工藝技術(shù)：BiCMOS也越來越受歡迎。BJT組件在驅(qū)動大電流的能力上仍然比一般的CMOS優(yōu)異，在可靠度方面也有一些優(yōu)勢，例如不容易被靜電放電破壞。所以很多同時需要復(fù)噪聲號處理以及強大電流驅(qū)動能力的集成電路產(chǎn)品會使用BiCMOS技術(shù)來制作。

金氧半場效晶體管的核心

金屬—氧化層—半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

場效應(yīng)管在不同柵極厚度下的C-V特性曲線。左側(cè)為積累，中間為耗盡，右側(cè)為反型（反轉(zhuǎn)）

金氧半場效晶體管在結(jié)構(gòu)上以一個金屬—氧化物層—半導(dǎo)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(jié)構(gòu)正好等于一個電容器，氧化層為電容器中介電質(zhì)，而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電系數(shù)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(dāng)一個電壓施加在MOS電容的兩端時，半導(dǎo)體的電荷分布也會跟著改變。

累積

考慮一個p型的半導(dǎo)體（空穴濃度為N_A）形成的MOS電容，當(dāng)給電容器加負電壓時，電荷增加（如C-V曲線左側(cè)所示）。

耗盡

相反，當(dāng)一個正的電壓V_GB施加在柵極與基極端時，空穴的濃度會減少（稱為耗盡，如C-V曲線中間所示），電子的濃度會增加。

反型

當(dāng)V_GB夠強時，接近柵極端的電子濃度會超過空穴。這個在p-type半導(dǎo)體中，電子濃度（帶負電荷）超過空穴（帶正電荷）濃度的區(qū)域，便是所謂的反轉(zhuǎn)層（inversion layer），如C-V曲線右側(cè)所示。

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

MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與pmosFET，其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。

MOSFET的命名，事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET里代表“metal”的第一個字母M，在當(dāng)下大部分同類的組件里是不存在的。早期MOSFET的柵極（gate electrode）使用金屬作為其材料，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，現(xiàn)代的MOSFET柵極早已用多晶硅取代了金屬。

常用于金氧半場效晶體管的電路符號有多種形式，最常見的設(shè)計是以一條垂直線代表溝道（Channel），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）。有時也會將代表溝道的直線以虛線代替，以區(qū)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。

由于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。在一般分布式金氧半場效晶體管組件中，通常把基極和源極接在一起，故分布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(biāo)示出基極的極性，而在PMOS的柵極端多加一個圓圈以示區(qū)別。

幾種常見的MOSFET電路符號，加上結(jié)型場效應(yīng)管一起比較：在金氧半場效晶體管符號中，基極端和源極端均接在一起，一般分立元件的MOSFET幾乎均如此，但在集成電路中的金氧半場效晶體管則并不一定是這樣連接。通常一顆集成電路芯片中相同溝道的金氧半場效晶體管都共享同一個基極，故某些情況下的金氧半場效晶體管可能會使得源極和基極并非直接連在一起，例如串疊式電流源（cascode current source）電路中的部分NMOS就是如此。基極與源極沒有直接相連的金氧半場效晶體管會出現(xiàn)襯底效應(yīng)（body effect）而部分改變其工作特性，將在后面的章節(jié)中詳述。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管（簡稱：金氧半場效晶體管；英語：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)字電路的場效晶體管。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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(dāng)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，但由于多晶硅在制造工藝中更耐高溫等特點，許多金氧半場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。

金氧半場效晶體管在概念上屬于絕緣柵極場效晶體管（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET）。而絕緣柵極場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），不過有些新的高級工藝已經(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)中最著名的例如國際商業(yè)機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），因為無法在表面長出質(zhì)量夠好的氧化層，所以無法用來制造金氧半場效晶體管組件。

當(dāng)一個夠大的電位差施于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(dǎo)體表面形成感應(yīng)電荷，而這時就會形成反轉(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，那么溝道也會是n型。溝道形成后，金氧半場效晶體管即可讓電流通過，而依據(jù)施于柵極的電壓值不同，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。

過去數(shù)十年來，金氧半場效晶體管的尺寸不斷地變小。早期的集成電路金氧半場效晶體管工藝?yán)铮瑴系篱L度約在幾個微米的檔次。但是到了今日的集成電路工藝，這個參數(shù)已經(jīng)縮小了幾十倍甚至超過一百倍。2008年初，Intel開始以45奈米的技術(shù)來制造新一代的微處理器，實際的組件溝道長度可能比這個數(shù)字還小一些。至90年代末，金氧半場效晶體管尺寸不斷縮小，讓集成電路的性能大大提升，而從歷史的角度來看，這些技術(shù)上的突破和半導(dǎo)體工藝的進步有著密不可分的關(guān)系。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管尺寸縮小

MOSFET在概念上屬于“絕緣柵極場效應(yīng)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MOSFET使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場效應(yīng)晶體管組件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是MOSFET。

MOSFET里的氧化層位于其通道上方，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（silicon dioxide, SiO2），不過有些新的高級制程已經(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（silicon）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（germanium）的混合物所發(fā)展的硅鍺制程（silicon-germanium process, 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（galliumarsenide, GaAs），因為無法在表面長出品質(zhì)夠好的氧化層，所以無法用來制造MOSFET組件。

當(dāng)一個夠大的電位差施于MOSFET的柵極與源極（source）之間時，電場會在氧化層下方的半導(dǎo)體表面形成感應(yīng)電荷，而這時所謂的“反轉(zhuǎn)通道”（inversion channel）就會形成。通道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設(shè)漏極和源極是n-type，那么通道也會是n-type。通道形成后，MOSFET即可讓電流通過，而依據(jù)施于柵極的電壓值不同，可由MOSFET的通道流過的電流大小亦會受其控制而改變。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管負面效應(yīng)

雖然金氧半場效晶體管尺寸縮小可以帶來很多好處，但同時也有很多負面效應(yīng)伴隨而來。

• 金氧半場效晶體管的尺寸縮小后出現(xiàn)的困難

把金氧半場效晶體管的尺寸縮小到一微米以下對于半導(dǎo)體工藝而言是個挑戰(zhàn)，不過新挑戰(zhàn)多半來自尺寸越來越小的金氧半場效晶體管組件所帶來過去不曾出現(xiàn)的物理效應(yīng)。

• 次臨限傳導(dǎo)

由于金氧半場效晶體管柵極氧化層的厚度也不斷減少，所以柵極電壓的上限也隨之變少，以免過大的電壓造成柵極氧化層雪崩擊穿（breakdown）。為了維持同樣的性能，金氧半場效晶體管的臨界電壓也必須降低，但是這也造成了金氧半場效晶體管越來越難以完全關(guān)閉。也就是說，足以造成金氧半場效晶體管溝道區(qū)發(fā)生弱反轉(zhuǎn)的柵極電壓會比從前更低，于是所謂的亞閾值電流（subthreshold current）造成的問題會比過去更嚴(yán)重，特別是今日的集成電路芯片所含有的晶體管數(shù)量劇增，在某些超大規(guī)模集成電路的芯片，次臨限傳導(dǎo)造成的功率消耗竟然占了總功率消耗的一半以上。

不過反過來說，也有些電路設(shè)計會因為金氧半場效晶體管的次臨限傳導(dǎo)得到好處，例如需要較高的轉(zhuǎn)導(dǎo)/電流轉(zhuǎn)換比（transconductance-to-current ratio）的電路里，利用次臨限傳導(dǎo)的金氧半場效晶體管來達成目的的設(shè)計也頗為常見。

• 芯片內(nèi)部連接導(dǎo)線的寄生電容效應(yīng)

傳統(tǒng)上，互補式金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯門的切換速度與其組件的柵極電容有關(guān)。但是當(dāng)柵極電容隨著金氧半場效晶體管尺寸變小而減少，同樣大小的芯片上可容納更多晶體管時，連接這些晶體管的金屬導(dǎo)線間產(chǎn)生的寄生電容效應(yīng)就開始主宰邏輯門的切換速度。如何減少這些寄生電容，成了芯片效率能否向上突破的關(guān)鍵之一。

• 芯片發(fā)熱量增加

當(dāng)芯片上的晶體管數(shù)量大幅增加后，有一個無法避免的問題也跟著發(fā)生了，那就是芯片的發(fā)熱量也大幅增加。一般的集成電路組件在高溫下工作可能會導(dǎo)致切換速度受到影響，或是導(dǎo)致可靠度與壽命的問題。在一些發(fā)熱量非常高的集成電路芯片如微處理器，需要使用外加的散熱系統(tǒng)來緩和這個問題。

在功率晶體管（Power金氧半場效晶體管）的領(lǐng)域里，溝道電阻常常會因為溫度升高而跟著增加，這樣也使得在組件中PN結(jié)（pn-junction）導(dǎo)致的功率損耗增加。假設(shè)外置的散熱系統(tǒng)無法讓功率晶體管的溫度保持在夠低的水準(zhǔn)，很有可能讓這些功率晶體管遭到熱失控的命運。

• 柵極氧化層漏電流增加

柵極氧化層隨著金氧半場效晶體管尺寸變小而越來越薄，主流的半導(dǎo)體工藝中，甚至已經(jīng)做出厚度僅有1.2奈米的柵極氧化層，大約等于5個原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下，所有的物理現(xiàn)象都在量子力學(xué)所規(guī)范的世界內(nèi)，例如電子的穿隧效應(yīng)。因為穿隧效應(yīng)，有些電子有機會越過氧化層所形成的位能障壁（potential barrier）而產(chǎn)生漏電流，這也是今日集成電路芯片功耗的來源之一。

為了解決這個問題，有一些介電系數(shù)比二氧化硅更高的物質(zhì)被用在柵極氧化層中。例如鉿和鋯的金屬氧化物（二氧化鉿、二氧化鋯）等高介電系數(shù)的物質(zhì)均能有效降低柵極漏電流。柵極氧化層的介電系數(shù)增加后，柵極的厚度便能增加而維持一樣的電容大小。而較厚的柵極氧化層又可以降低電子通過穿隧效應(yīng)穿過氧化層的機率，進而降低漏電流。不過利用新材料制作的柵極氧化層也必須考慮其位能障壁的高度，因為這些新材料的傳導(dǎo)帶和價帶和半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶與價帶的差距比二氧化硅?。ǘ趸璧膫鲗?dǎo)帶和硅之間的高度差約為8ev），所以仍然有可能導(dǎo)致柵極漏電流出現(xiàn)。

• 工藝變異更難掌控

現(xiàn)代的半導(dǎo)體工藝工序復(fù)雜而繁多，任何一道工藝都有可能造成集成電路芯片上的組件產(chǎn)生些微變異。當(dāng)金氧半場效晶體管等組件越做越小，這些變異所占的比例就可能大幅提升，進而影響電路設(shè)計者所預(yù)期的性能，這樣的變異讓電路設(shè)計者的工作變得更為困難。

理論上金氧半場效晶體管的柵極應(yīng)該盡可能選擇電性良好的導(dǎo)體，多晶硅在經(jīng)過重摻雜之后的導(dǎo)電性可以用在金氧半場效晶體管的柵極上，但是并非完美的選擇。金氧半場效晶體管使用多晶硅作為的理由如下：

1. 金氧半場效晶體管的臨界電壓（threshold voltage）主要由柵極與溝道材料的功函數(shù)之間的差異來決定，而因為多晶硅本質(zhì)上是半導(dǎo)體，所以可以借由摻雜不同極性的雜質(zhì)來改變其功函數(shù)。更重要的是，因為多晶硅和底下作為溝道的硅之間能隙相同，因此在降低PMOS或是NMOS的臨界電壓時可以借由直接調(diào)整多晶硅的功函數(shù)來達成需求。反過來說，金屬材料的功函數(shù)并不像半導(dǎo)體那么易于改變，如此一來要降低金氧半場效晶體管的臨界電壓就變得比較困難。而且如果想要同時降低PMOS和NMOS的臨界電壓，將需要兩種不同的金屬分別做其柵極材料，對于工藝又是一個很大的變量。

2. 硅—二氧化硅接面經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)證實這兩種材料之間的缺陷（defect）是相對而言比較少的。反之，金屬—絕緣體接面的缺陷多，容易在兩者之間形成很多表面能階，大為影響組件的特性。

3. 多晶硅的熔點比大多數(shù)的金屬高，而在現(xiàn)代的半導(dǎo)體工藝中習(xí)慣在高溫下沉積柵極材料以增進組件性能。金屬的熔點低，將會影響工藝所能使用的溫度上限。

不過多晶硅雖然在過去20年是制造金氧半場效晶體管柵極的標(biāo)準(zhǔn)，但也有若干缺點使得未來仍然有部分金氧半場效晶體管可能使用金屬柵極，這些缺點如下：

1. 多晶硅導(dǎo)電性不如金屬，限制了信號傳遞的速度。雖然可以利用摻雜的方式改善其導(dǎo)電性，但成效仍然有限。有些融點比較高的金屬材料如：鎢、鈦、鈷或是鎳被用來和多晶硅制成合金。這類混合材料通常稱為金屬硅化物。加上了金屬硅化物的多晶硅柵極有著比較好的導(dǎo)電特性，而且又能夠耐受高溫工藝。此外因為金屬硅化物的位置是在柵極表面，離溝道區(qū)較遠，所以也不會對金氧半場效晶體管的臨界電壓造成太大影響。

2. 在柵極、源極與漏極都鍍上金屬硅化物的工藝稱為自我對準(zhǔn)金屬硅化物工藝（Self-Aligned Silicide），通常簡稱salicide工藝。

3. 當(dāng)金氧半場效晶體管的尺寸縮的非常小、柵極氧化層也變得非常薄時，例如工藝可以把氧化層縮到一奈米左右的厚度，一種過去沒有發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象也隨之產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為多晶硅耗盡。當(dāng)金氧半場效晶體管的反轉(zhuǎn)層形成時，有多晶硅耗盡現(xiàn)象的金氧半場效晶體管柵極多晶硅靠近氧化層處，會出現(xiàn)一個耗盡層（depletion layer），影響金氧半場效晶體管導(dǎo)通的特性。要解決這種問題，金屬柵極是最好的方案?？尚械牟牧习ㄣg、鎢、氮化鉭（Tantalum Nitride），或是氮化鈦（Titanium Nitride）。這些金屬柵極通常和高介電系數(shù)物質(zhì)形成的氧化層一起構(gòu)成MOS電容。另外一種解決方案是將多晶硅完全的合金化，稱為FUSI（FUlly-SIlicide polysilicon gate）工藝。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管雙柵極金氧

雙柵極（dual-gate）金氧半場效晶體管通常用在射頻集成電路中，這種金氧半場效晶體管的兩個柵極都可以控制電流大小。在射頻電路的應(yīng)用上，雙柵極金氧半場效晶體管的第二個柵極大多數(shù)用來做增益、混頻器或是頻率轉(zhuǎn)換的控制。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管耗盡式

一般而言，耗盡式（depletion mode）金氧半場效晶體管比前述的加強式（enhancement mode）金氧半場效晶體管少見。耗盡式金氧半場效晶體管在制造過程中改變摻雜到溝道的雜質(zhì)濃度，使得這種金氧半場效晶體管的柵極就算沒有加電壓，溝道仍然存在。如果想要關(guān)閉溝道，則必須在柵極施加負電壓（對NMOS而言）。耗盡式金氧半場效晶體管是屬于“常閉型”（normally-closed，ON）的開關(guān)，而相對的，加強式金氧半場效晶體管則屬于“常斷型”（normally-open，OFF）的開關(guān)。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管NMOS邏輯

同樣驅(qū)動能力的NMOS通常比PMOS所占用的面積小，因此如果只在邏輯門的設(shè)計上使用NMOS的話也能縮小芯片面積。不過NMOS邏輯雖然占的面積小，卻無法像CMOS邏輯一樣做到不消耗靜態(tài)功率，因此在1980年代中期后已經(jīng)漸漸退出市場，以CMOS為主流。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管功率金氧

功率晶體管單元的截面圖。通常一個市售的功率晶體管都包含了數(shù)千個這樣的單元。

主條目：功率金氧半場效晶體管

功率金氧半場效晶體管（Power MOSFET）和前述的金氧半場效晶體管組件在結(jié)構(gòu)上就有著顯著的差異。一般集成電路里的金氧半場效晶體管都是平面式（planar）的結(jié)構(gòu)，晶體管內(nèi)的各端點都離芯片表面只有幾個微米的距離。而所有的功率組件都是垂直式（vertical）的結(jié)構(gòu)，讓組件可以同時承受高電壓與高電流的工作環(huán)境。一個功率金氧半場效晶體管能耐受的電壓是雜質(zhì)摻雜濃度與n-type外延層（epitaxial layer）厚度的函數(shù)，而能通過的電流則和組件的溝道寬度有關(guān)，溝道越寬則能容納越多電流。對于一個平面結(jié)構(gòu)的金氧半場效晶體管而言，能承受的電流以及擊穿電壓的多寡都和其溝道的長寬大小有關(guān)。對垂直結(jié)構(gòu)的金氧半場效晶體管來說，組件的面積和其能容納的電流大約成正比，外延層厚度則和其擊穿電壓成正比。

值得一提的是采用平面式結(jié)構(gòu)的功率金氧半場效晶體管也并非不存在，這類組件主要用在高級的音響放大器中。平面式的功率金氧半場效晶體管在飽和區(qū)的特性比垂直結(jié)構(gòu)的對手更好。垂直式功率金氧半場效晶體管則多半用來做開關(guān)切換之用，取其導(dǎo)通電阻（turn-on resistance）非常小的優(yōu)點。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管DMOS

DMOS是雙重擴散金氧半場效晶體管（Double-Diffused金氧半場效晶體管）的縮寫，大部分的功率金氧半場效晶體管都是采用這種制作方式完成的。

金氧半場效晶體管在導(dǎo)通時的溝道電阻低，而截止時的電阻近乎無限大，所以適合作為模擬信號的開關(guān)（信號的能量不會因為開關(guān)的電阻而損失太多）。金氧半場效晶體管作為開關(guān)時，其源極與漏極的分別和其他的應(yīng)用是不太相同的，因為信號可以從金氧半場效晶體管柵極以外的任一端進出。對NMOS開關(guān)而言，電壓最負的一端就是源極，PMOS則正好相反，電壓最正的一端是源極。金氧半場效晶體管開關(guān)能傳輸?shù)男盘枙艿狡鋿艠O—源極、柵極—漏極，以及漏極到源極的電壓限制，如果超過了電壓的上限可能會導(dǎo)致金氧半場效晶體管燒毀。

金氧半場效晶體管開關(guān)的應(yīng)用范圍很廣，舉凡需要用到采樣持有電路（sample-and-hold circuits）或是截波電路（chopper circuits）的設(shè)計，例如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D converter）或是切換電容濾波器（switch-capacitor filter）上都可以見到金氧半場效晶體管開關(guān)的蹤影 。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管單一開關(guān)

當(dāng)NMOS用來做開關(guān)時，其源極接地，柵極為控制開關(guān)的端點。當(dāng)柵極電壓減去源極電壓超過其導(dǎo)通的臨界電壓時，此開關(guān)的狀態(tài)為導(dǎo)通。柵極電壓繼續(xù)升高，則NMOS能通過的電流就更大。NMOS做開關(guān)時工作在線性區(qū)，因為源極與漏極的電壓在開關(guān)為導(dǎo)通時會趨向一致。

PMOS做開關(guān)時，其源極接至電路里電位最高的地方，通常是電源。柵極的電壓比源極低、超過其臨界電壓時，PMOS開關(guān)會打開。

NMOS開關(guān)能容許通過的電壓上限為（V_gate-V_thn），而PMOS開關(guān)則為（V_gate V_thp），這個值通常不是信號原本的電壓振幅，也就是說單一金氧半場效晶體管開關(guān)會有讓信號振幅變小、信號有損的缺點。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管雙重開關(guān)

為了改善前述單一金氧半場效晶體管開關(guān)造成信號有損的缺點，于是使用一個PMOS加上一個NMOS的CMOS開關(guān)（Transmission gate）成為最普遍的做法。CMOS開關(guān)將PMOS與NMOS的源極與漏極分別連接在一起，而基極的接法則和NMOS與PMOS的傳統(tǒng)接法相同（PMOS的基極接到最高電壓，即VDD；NMOS的基極接到最低電壓，即VSS或GND）。要令開關(guān)導(dǎo)通時，則把PMOS的柵極接低電位（VSS或GND），NMOS的柵極接高電位（VDD）。當(dāng)輸入電壓在（V_DD-V_thn）到（V_SS V_thp）時，PMOS與NMOS都導(dǎo)通，而輸入小于（V_SS V_thp）時，只有NMOS導(dǎo)通，輸入大于（V_DD-V_thn）時只有PMOS導(dǎo)通，這樣做的好處是在大部分的輸入電壓下，PMOS與NMOS皆同時導(dǎo)通，如果任一邊的導(dǎo)通電阻上升，則另一邊的導(dǎo)通電阻就會下降，所以開關(guān)的電阻幾乎可以保持定值，減少信號有損。2100433B

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(shù)字電路的場效晶體管。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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(dāng)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，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，現(xiàn)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于“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(zhì)，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），不過有些新的高級制程已經(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），因為無法在表面長出品質(zhì)夠好的氧化層，所以無法用來制造金氧半場效晶體管組件。

當(dāng)一個夠大的電位差施于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(dǎo)體表面形成感應(yīng)電荷，而這時就會形成所謂的“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，那么溝道也會是n型。溝道形成后，金氧半場效晶體管即可讓電流通過，而依據(jù)施于柵極的電壓值不同，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。

具有一個或多個在電氣上與溝道相互絕緣的柵極的場效應(yīng)半導(dǎo)體器件。絕緣柵場效應(yīng)晶體管是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進行工作的。由于它的柵極處于絕緣狀態(tài)，所以輸入電阻極高，可達105Ω。它和結(jié)型場效應(yīng)晶體管的不同之處在于導(dǎo)電機理和電流控制原理不同。結(jié)型場效應(yīng)晶體管利用耗盡層的寬度變化來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，達到控制漏極電流的目的。絕緣柵型場效應(yīng)晶體管則利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，達到控制電流的目的。絕緣柵場效應(yīng)晶體管中，常用二氧化硅(Si_O2)為金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層即金屬一氧化物半導(dǎo)體，簡稱MOS(meta-loxide-sem_icon_ductor)管，因此絕緣柵場效應(yīng)晶體管又稱MOSFET。它有N溝道和P溝道兩類，而每一類又分增強型和耗盡型兩種。增強型就是在uGS=0時，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道;反之，在uGS=0時，漏源之間存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。