絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)介

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)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(chēng)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）。

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。

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。

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(jiàn)的設(shè)計(jì)是以一條垂直線(xiàn)代表溝道（Channel），兩條和溝道平行的接線(xiàn)代表源極（Source）與漏極（Drain），左方和溝道垂直的接線(xiàn)代表柵極（Gate），如圖1所示。有時(shí)也會(huì)將代表溝道的直線(xiàn)以虛線(xiàn)代替，以區(qū)分增強(qiáng)型（enhancement mode，又稱(chēng)增強(qiáng)式）金氧半場(chǎng)效晶體管或是耗盡型（depletion mode，又稱(chēng)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，如圖1，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，所以箭頭從基極端指向溝道的為p型的金氧半場(chǎng)效晶體管，或簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)NMOS。在一般分布式金氧半場(chǎng)效晶體管組件中，通常把基極和源極接在一起，故分布式金氧半場(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（現(xiàn)在的金氧半場(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，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(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。

反型

當(dāng)V_GB夠強(qiáng)時(shí)，接近柵極端的電子濃度會(huì)超過(guò)空穴。這個(gè)在p-type半導(dǎo)體中，電子濃度（帶負(fù)電荷）超過(guò)空穴（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)效晶體管的工作特性，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)效晶體管在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的D. Kahng和Martin Atalla首次實(shí)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?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高集成度的優(yōu)勢(shì)，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(yuǎn)超過(guò)BJT。

近年來(lái)由于金氧半場(chǎng)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(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來(lái)越多模擬信號(hào)處理的集成電路可以用金氧半場(chǎng)效晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，以下分別介紹這些應(yīng)用。

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管數(shù)字電路

數(shù)字科技的進(jìn)步，如微處理器運(yùn)算性能不斷提升，帶給深入研發(fā)新一代金氧半場(chǎng)效晶體管更多的動(dòng)力，這也使得金氧半場(chǎng)效晶體管本身的工作速度越來(lái)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(chǎng)效晶體管在數(shù)字信號(hào)處理上最主要的成功來(lái)自互補(bǔ)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(huì)有靜態(tài)的功率損耗，只有在邏輯門(mén)的切換動(dòng)作時(shí)才有電流通過(guò)?；パa(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯門(mén)最基本的成員是互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體反相器，而所有互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯門(mén)的基本工作都如同反相器一樣，同一時(shí)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(huì)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(chǎng)效晶體管在數(shù)字電路上應(yīng)用的另外一大優(yōu)勢(shì)是對(duì)直流信號(hào)而言，金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極端阻抗為無(wú)限大（等效于開(kāi)路），也就是理論上不會(huì)有電流從金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極端流向電路里的接地點(diǎn)，而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓金氧半場(chǎng)效晶體管和他們最主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手BJT相較之下更為省電，而且也更易于驅(qū)動(dòng)。在CMOS邏輯電路里，除了負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)芯片外負(fù)載（off-chip load）的驅(qū)動(dòng)器外，每一級(jí)的邏輯門(mén)都只要面對(duì)同樣是金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極，如此一來(lái)就不需考慮邏輯門(mén)本身的驅(qū)動(dòng)力。相較之下，BJT的邏輯電路（例如最常見(jiàn)的TTL）就沒(méi)有這些優(yōu)勢(shì)。金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極輸入電阻無(wú)限大對(duì)于電路設(shè)計(jì)工程師而言亦有其他優(yōu)點(diǎn)，例如就不需考慮邏輯門(mén)輸出端的負(fù)載效應(yīng)（loading effect）。

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管模擬電路

有一段時(shí)間，金氧半場(chǎng)效晶體管并非模擬電路設(shè)計(jì)工程師的首選，因?yàn)槟M電路設(shè)計(jì)重視的性能參數(shù)，如晶體管的跨導(dǎo)或是電流的驅(qū)動(dòng)力上，金氧半場(chǎng)效晶體管不如BJT適合模擬電路的需求。但是隨著金氧半場(chǎng)效晶體管技術(shù)的不斷演進(jìn)，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(chǎng)效晶體管因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，沒(méi)有BJT的一些致命缺點(diǎn)，如熱破壞（thermal runaway）。另外，金氧半場(chǎng)效晶體管在線(xiàn)性區(qū)的壓控電阻特性亦可在集成電路里用來(lái)取代傳統(tǒng)的多晶硅電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來(lái)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(shuō)，金氧半場(chǎng)效晶體管除了扮演原本晶體管的角色外，也可以用來(lái)作為模擬電路中大量使用的被動(dòng)組件（passive device）。這樣的優(yōu)點(diǎn)讓采用金氧半場(chǎng)效晶體管實(shí)現(xiàn)模擬電路不但可以滿(mǎn)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(jìn)步，對(duì)于集成更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升，此時(shí)用金氧半場(chǎng)效晶體管設(shè)計(jì)模擬電路的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(dú)立的模擬芯片與數(shù)字芯片被集成至同一個(gè)芯片內(nèi)。金氧半場(chǎng)效晶體管原本在數(shù)字集成電路上就有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在模擬集成電路上也大量采用金氧半場(chǎng)效晶體管之后，把這兩種不同功能的電路集成起來(lái)的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合信號(hào)電路（Mixed-signal circuits），如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，也得以利用金氧半場(chǎng)效晶體管技術(shù)設(shè)計(jì)出性能更好的產(chǎn)品。

近年來(lái)還有一種集成金氧半場(chǎng)效晶體管與BJT各自?xún)?yōu)點(diǎn)的工藝技術(shù)：BiCMOS也越來(lái)越受歡迎。BJT組件在驅(qū)動(dòng)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(shì)，例如不容易被靜電放電破壞。所以很多同時(shí)需要復(fù)噪聲號(hào)處理以及強(qiáng)大電流驅(qū)動(dòng)能力的集成電路產(chǎn)品會(huì)使用BiCMOS技術(shù)來(lái)制作。 2100433B