基本介紹
- 中文名：橫向擴散金屬氧化物半導體
- 外文名：Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor
歷史,組成,套用,MOS積體電路,CMOS電路,數字,類似物,
歷史
這種電晶體的基本原理是Julius Edgar Lilienfeld於1925年首次獲得專利。
1959年，貝爾實驗室的Dawon Kahng和Martin M.（John）Atalla發明了金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）作為專利FET設計的分支。在操作上和結構上不同於雙極結型電晶體，MOSFET是通過在半導體表面上放置絕緣層然後在其上放置金屬柵電極而製成的。 它使用晶體矽作為半導體，並使用熱氧化的二氧化矽層作為絕緣體。 矽MOSFET在矽與其原生氧化物層之間的界面處不產生局部電子陷阱，因此本質上沒有阻礙早期場效應電晶體性能的載流子的捕獲和散射。
組成
通常選擇的半導體是矽，使用局部氧化方法（LOCOS）處理。最近，一些晶片製造商，尤其是IBM和英特爾，已經開始在MOSFET通道中使用矽和鍺（SiGe）的化合物。不幸的是，許多具有比矽更好的電性能的半導體，例如砷化鎵，不能形成良好的半導體 - 絕緣體界面，因此不適用於MOSFET。繼續研究在其他半導體材料上製造具有可接受的電特性的絕緣體。
為了克服由於柵極電流泄漏引起的功耗增加，使用高κ電介質代替二氧化矽作為柵極絕緣體，而多晶矽被金屬柵極取代（參見英特爾公告）。
柵極通過薄的絕緣層與溝道分離，絕緣層通常是二氧化矽，後來是氮氧化矽。一些公司已經開始在45納米節點中引入高κ電介質和金屬柵極組合。
當在柵極和體端子之間施加電壓時，產生的電場穿透氧化物並在半導體 - 絕緣體界面處產生反型層或溝道。反型層提供通道，電流可以通過該通道在源極和漏極端子之間通過。改變柵極和主體之間的電壓可調製該層的導電性，從而控制漏極和源極之間的電流。這稱為增強模式。
套用
諸如微處理器和存儲器件之類的數字積體電路在每個器件上包含數千到數百萬個集成MOSFET電晶體，提供實現邏輯門和數據存儲所需的基本開關功能。分立器件廣泛用於諸如開關模式電源，變頻驅動器和其他電力電子套用的套用中，其中每個器件可以切換數千瓦。高達UHF頻譜的射頻放大器使用MOSFET電晶體作為模擬信號和功率放大器。無線電系統還使用MOSFET作為振盪器或混頻器來轉換頻率。 MOSFET器件也套用於音頻功率放大器，用於公共廣播系統，擴聲以及家庭和汽車音響系統。
MOS積體電路
隨著潔淨室的發展將污染降低到前所未有的水平，並且光刻[31]和平面工藝允許在很少的步驟中製造電路，Si-SiO2系統具有低成本的技術吸引力。生產（基於每個電路）和易於集成。很大程度上由於這兩個因素，MOSFET已成為積體電路中使用最廣泛的電晶體類型。
通用微電子公司於1964年推出了第一款商用MOS積體電路。
此外，將兩個互補MOSFET（P溝道和N溝道）耦合到一個高/低開關（稱為CMOS）的方法意味著除了實際切換之外，數字電路消耗的功率非常小。
從1970年開始的最早的微處理器都是MOS微處理器;即，完全由PMOS邏輯製造或完全由NMOS邏輯製造。在20世紀70年代，MOS微處理器經常與CMOS微處理器和雙極性位片處理器形成對比。
CMOS電路
MOSFET用於數字互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯[34]，它使用p和n溝道MOSFET作為構建模組。過熱是積體電路中的一個主要問題，因為越來越多的電晶體被封裝到更小的晶片中。 CMOS邏輯降低了功耗，因為沒有電流流動（理想情況下），因此不會消耗功率，除非切換邏輯門的輸入。 CMOS通過用pMOSFET補充每個nMOSFET並將兩個柵極和兩個漏極連線在一起來實現這種電流降低。柵極上的高電壓將導致nMOSFET導通並且pMOSFET不導通，並且柵極上的低電壓導致反向。在電壓從一種狀態進入另一種狀態的切換時間期間，兩個MOSFET將短暫導通。這種布置大大降低了功耗和發熱量。
數字
像微處理器這樣的數位技術的發展提供了比任何其他類型的矽基電晶體更快地推進MOSFET技術的動力。 MOSFET用於數字開關的一大優勢是柵極和溝道之間的氧化層可防止DC電流流過柵極，從而進一步降低功耗並提供非常大的輸入阻抗。柵極和溝道之間的絕緣氧化物有效地將MOSFET在一個邏輯級中與早期和後級相隔離，這允許單個MOSFET輸出驅動相當數量的MOSFET輸入。基於雙極電晶體的邏輯（例如TTL）沒有如此高的扇出容量。這種隔離還使設計人員更容易在某種程度上忽略邏輯級之間的負載效應。該程度由工作頻率定義：隨著頻率的增加，MOSFET的輸入阻抗降低。
類似物
MOSFET在數字電路中的優勢並未轉化為所有模擬電路的優勢。這兩種類型的電路利用了電晶體行為的不同特徵。數字電路開關，大部分時間都完全開啟或完全關閉。從一個到另一個的過渡僅涉及所需的速度和電荷。模擬電路依賴於過渡區域中的操作，其中Vgs的微小變化可以調製輸出（漏極）電流。 MOSFET和雙極結型電晶體（BJT）優選用於精確匹配（積體電路中的相鄰器件），更高的跨導和某些溫度特性，這簡化了隨著電路溫度變化保持性能的可預測性。
然而，MOSFET由於其自身的優勢而被廣泛用於許多類型的模擬電路中（零柵極電流，高且可調節的輸出阻抗以及相對於BJT的改善的魯棒性，即使輕微地破壞發射極 - 基極也可能永久性地降低）。模糊]通過改變所用MOSFET的尺寸（長度和寬度），可以放大或縮小許多模擬電路的特性和性能。相比之下，在雙極電晶體中，器件的尺寸不會顯著影響其性能。MOSFET關於柵極電流（零）和漏源偏移電壓（零）的理想特性也使它們成為近乎理想的開關元件，並且也使開關電容模擬電路實用。在它們的線性區域中，MOSFET可以用作精密電阻器，其可以具有比BJT高得多的控制電阻。在高功率電路中，MOSFET有時具有不像BJT那樣遭受熱失控的優點。此外，MOSFET可以配置為電容器和迴轉器電路，允許由它們製成的運算放大器作為電感器出現從而允許晶片上的所有普通模擬器件（除了二極體，無論如何都可以製造得比MOSFET小），完全由MOSFET構成。這意味著可以在更小的空間中使用更簡單的製造技術在矽晶片上製造完整的模擬電路。由於對感應反衝的容忍度，MOSFET非常適合切換感性負載。
一些IC在單個混合信號積體電路上集成了模擬和數字MOSFET電路，使所需的電路板空間更小。這使得需要將模擬電路與晶片級的數字電路隔離，從而導致使用隔離環和絕緣體上矽（SOI）。由於MOSFET比BJT需要更多的空間來處理給定的功率，因此製造工藝可以將BJT和MOSFET集成到單個器件中。如果混合電晶體器件僅包含一個BJT-FET和BiCMOS（雙極CMOS）（如果它們包含互補BJT-FET），則它們被稱為雙FET（雙極FET）。這種器件具有絕緣柵極和更高電流密度的優點。
