金属氧化物半导体场效应管基本信息

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。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。

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。

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。 2100433B

金属氧化物半导体场效晶体管（简称：金氧半场效晶体管；英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，缩写：MOSFET），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。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，但由于多晶硅在制造工艺中更耐高温等特点，许多金氧半场效晶体管栅极采用后者而非前者金属。然而，随着半导体特征尺寸的不断缩小，金属作为栅极材料最近又再次得到了研究人员的关注。

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）。而绝缘栅极场效晶体管的栅极绝缘层，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，依照其工作电压的不同，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），不过有些新的高级工艺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工艺，当中最著名的例如国际商业机器股份有限公司使用硅与锗的混合物所发展的硅锗工艺（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质量够好的氧化层，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。