絕緣柵型場效應管工作原理

金氧半場效晶體管的核心

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（現(xiàn)在的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。這樣的結構正好等于一個電容器，氧化層為電容器中介電質，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著改變。

反型

當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，便是所謂的反轉層（inversion layer）。

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構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。

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），如圖1所示。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，如圖1，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，所以箭頭從基極端指向溝道的為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。

絕緣柵型場效應管，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。金屬氧化物半導體場效應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）。

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，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。

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(fā)展出使用其他半導體材料的工藝，當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，所以無法用來制造金氧半場效晶體管組件。

當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體表面形成感應電荷，而這時就會形成反轉溝道（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。

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用。

絕緣柵型場效應管數(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體邏輯電路的發(fā)明，這種結構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。互補式金屬氧化物半導體邏輯門最基本的成員是互補式金屬氧化物半導體反相器，而所有互補式金屬氧化物半導體邏輯門的基本工作都如同反相器一樣，同一時間內必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導通的狀態(tài)下，另一種必定是截止狀態(tài)，這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑，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，而且也更易于驅動。在CMOS邏輯電路里，除了負責驅動芯片外負載（off-chip load）的驅動器外，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，如此一來就不需考慮邏輯門本身的驅動力。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計工程師而言亦有其他優(yōu)點，例如就不需考慮邏輯門輸出端的負載效應（loading effect）。

絕緣柵型場效應管模擬電路

有一段時間，金氧半場效晶體管并非模擬電路設計工程師的首選，因為模擬電路設計重視的性能參數(shù)，如晶體管的跨導或是電流的驅動力上，金氧半場效晶體管不如BJT適合模擬電路的需求。但是隨著金氧半場效晶體管技術的不斷演進，今日的CMOS技術也已經(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構的關系，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?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。

隨著半導體制造技術的進步，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。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)字轉換器，也得以利用金氧半場效晶體管技術設計出性能更好的產(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：BiCMOS也越來越受歡迎。BJT組件在驅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噪聲號處理以及強大電流驅動能力的集成電路產(chǎn)品會使用BiCMOS技術來制作。 2100433B