金属氧化物半导体场效电晶体介绍.doc

金屬氧化物半導體場效電晶體 金屬氧化物半導體場效電晶體，簡稱金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效電晶體（field-effect transistor）。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。 從目前的角度來看MOSFET的命名，事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET裡代表「metal」的第一個字母M，在當下大部分同類的元件裡是不存在的。早期MOSFET的閘極（gate electrode）使用金屬作為其材料，但隨著半導體技術的進步，現代的MOSFET閘極早已用多晶矽取代了金屬。 MOSFET在概念上屬於「絕緣閘極場效電晶體」（Insulated-Gate Field Effect Transistor, IGFET）。而IGFET的閘極絕緣層，有可能是其他物質，而非MOSFET使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶矽閘極的場效電晶體元件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是MOSFET。 MOSFET裡的氧化層位於其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃（?）不等，通常材料是二氧化矽（silicon dioxide, SiO2），不過有些新的進階製程已經可以使用如氮氧化矽（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。 今日半導體元件的材料通常以矽（silicon）為首選，但是也有些半導體公司發展出使用其他半導體材料的製程，當中最著名的例如IBM使用矽與鍺（germanium）的混合物所發展的矽鍺製程（silicon-germanium process, 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（gallium arsenide, GaAs），因為無法在表面長出品質夠好的氧化層，所以無法用來製造MOSFET元件。 當一個夠大的電位差施於MOSFET的閘極與源極（source）之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時所謂的「反轉通道」（inversion channel）就會形成。通道的極性與其汲極（drain）與源極相同，假設汲極和源極是n-type，那麼通道也會是n-type。通道形成後，MOSFET即可讓電流通過，而依據施於閘極的電壓值不同，可由MOSFET的通道流過的電流大小亦會受其控制而改變。 電路符號 常用於MOSFET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通道（Channal），兩條和通道平行的接線代表源極（Source）與汲極（Drain），左方和通道垂直的接線代表閘極（Gate），如下圖所示。有時也會將代表通道的直線以虛線代替，以區分加強式MOSFET（enhancement mode MOSFET）或是空乏式MOSFET（depletion mode MOSFET）。 由於積體電路晶片上的MOSFET為四端元件，所以除了源極（S）、汲極（D）、閘極（G）外，尚有一基極（Bulk或是Body）。MOSFET電路符號中，從通道往右延伸的箭號方向則可表示此元件為n-type或是p-type的MOSFET。箭頭方向永遠從P端指向N端，所以箭頭從通道指向基極端的為p-type的MOSFET，或簡稱PMOS（代表此元件的通道為p-type）；反之若箭頭從基極指向通道，則代表基極為p-type，而通道為n-type，此元件為n-type的MOSFET，簡稱NMOS。在一般分散式MOSFET元件（discrete device）中，通常把基極和源極接在一起，故分散式MOSFET通常為三端元件。而在積體電路中的MOSFET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的閘極端多加一個圓圈以示區別。 幾種常見的MOSFET電路符號，加上接面場效電晶體（Junction Field-Effect Transistor, JFET）一起比較： P-channel N-channel JFET 加強式MOSFET 空乏式MOSFET 積體電路中的MOSFET仍然不一定都是這樣連接。因為通常一顆積體電路晶片中的MOSFET都共享同一個基極，故某些情況下的MOSFET可能會使得源極和基極並非直接連在一起，例如串疊式電流源（cascode current source）電路中的部份NMOS就是如此。基極與源極沒有直接相連的MOSFET會