絕緣柵型場效應管（IGFET，Insulated Gate Field Effect Transister）也稱金屬氧化物半導體場效應管（Metal Oxide Semiconductor FET，簡寫為MOSFET），通常說的MOS管就是指絕緣柵型場效應管。
基本介紹
- 中文名：絕緣柵型場效應管
- 外文名：Insulated Gate Field Effect Transister
簡介,電路符號,金氧半場效電晶體的工作原理,金氧半場效電晶體的核心,反型,金氧半場效電晶體在電子電路上套用的優勢,數字電路,模擬電路,
簡介
絕緣柵型場效應管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效電晶體。金屬氧化物半導體場效應管依照其溝道極性的不同，可分為電子占多數的N溝道型與空穴占多數的P溝道型，通常被稱為N型金氧半場效電晶體（NMOSFET）與P型金氧半場效電晶體（PMOSFET）。
早期金氧半場效電晶體柵極使用金屬作為材料，但由於多晶矽在製造工藝中更耐高溫等特點，許多金氧半場效電晶體柵極採用後者而非前者金屬。然而，隨著半導體特徵尺寸的不斷縮小，金屬作為柵極材料最近又再次得到了研究人員的關注。
金氧半場效電晶體在概念上屬於絕緣柵極場效電晶體（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET）。而絕緣柵極場效電晶體的柵極絕緣層，有可能是其他物質，而非金氧半場效電晶體使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶矽柵極的場效電晶體組件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是金氧半場效電晶體。
今日半導體組件的材料通常以矽為首選，但是也有些半導體公司發展出使用其他半導體材料的工藝，當中最著名的例如國際商業機器股份有限公司使用矽與鍺的混合物所發展的矽鍺工藝（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，所以無法用來製造金氧半場效電晶體組件。
當一個夠大的電位差施於金氧半場效電晶體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。溝道形成後，金氧半場效電晶體即可讓電流通過，而依據施於柵極的電壓值不同，可由金氧半場效電晶體的溝道流過的電流大小亦會受其控制而改變。
電路符號
常用於金氧半場效電晶體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，以區分增強型（enhancement mode，又稱增強式）金氧半場效電晶體或是耗盡型（depletion mode，又稱耗盡式）金氧半場效電晶體。
圖1 電路符號
圖1 電路符號由於積體電路晶片上的金氧半場效電晶體為四端組件，所以除了源極（S）、漏極（D）、柵極（G）外，尚有一基極（Bulk或是Body）。金氧半場效電晶體電路符號中，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型的金氧半場效電晶體。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型的金氧半場效電晶體，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型的金氧半場效電晶體，簡稱NMOS。在一般分散式金氧半場效電晶體組件中，通常把基極和源極接在一起，故分散式金氧半場效電晶體通常為三端組件。而在積體電路中的金氧半場效電晶體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別。
金氧半場效電晶體的工作原理
金氧半場效電晶體的核心
金氧半場效電晶體在結構上以一個金屬—氧化物層—半導體的電容為核心（現在的金氧半場效電晶體多半以多晶矽取代金屬作為其柵極材料），氧化層的材料多半是二氧化矽，其下是作為基極的矽，而其上則是作為柵極的多晶矽。這樣的結構正好等於一個電容器，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矽的介電係數來決定。柵極多晶矽與基極的矽則成為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VGB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電晶體的工作特性，但是一個完整的金氧半場效電晶體結構還需要一個提供多數載流子（majority carrier）的源極以及接受這些多數載流子的漏極。
金氧半場效電晶體在電子電路上套用的優勢
金氧半場效電晶體在1960年由貝爾實驗室的D. Kahng和Martin Atalla首次實現成功，這種組件的工作原理和1947年蕭克利等人發明的雙載流子接面電晶體截然不同，且因為製造成本低廉與使用面積較小、高集成度的優勢，在大規模積體電路或是超大規模積體電路的領域裡，重要性遠超過BJT。
近年來由於金氧半場效電晶體組件的性能逐漸提升，除了傳統上套用於諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上，也有越來越多模擬信號處理的積體電路可以用金氧半場效電晶體來實現，以下分別介紹這些套用。
數字電路
數字科技的進步，如微處理器運算性能不斷提升，帶給深入研發新一代金氧半場效電晶體更多的動力，這也使得金氧半場效電晶體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。金氧半場效電晶體在數位訊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明，這種結構最大的好處是理論上不會有靜態的功率損耗，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電晶體（NMOS或是PMOS）處在導通的狀態下，另一種必定是截止狀態，這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑，大量節省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發熱量。
金氧半場效電晶體在數字電路上套用的另外一大優勢是對直流信號而言，金氧半場效電晶體的柵極端阻抗為無限大（等效於開路），也就是理論上不會有電流從金氧半場效電晶體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。這讓金氧半場效電晶體和他們最主要的競爭對手BJT相較之下更為省電，而且也更易於驅動。在CMOS邏輯電路里，除了負責驅動晶片外負載（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電晶體的柵極，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）就沒有這些優勢。金氧半場效電晶體的柵極輸入電阻無限大對於電路設計工程師而言亦有其他優點，例如就不需考慮邏輯門輸出端的負載效應（loading effect）。
模擬電路
有一段時間，金氧半場效電晶體並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，如電晶體的跨導或是電流的驅動力上，金氧半場效電晶體不如BJT適合模擬電路的需求。但是隨著金氧半場效電晶體技術的不斷演進，今日的CMOS技術也已經可以匹配很多模擬電路的規格需求。再加上金氧半場效電晶體因為結構的關係，沒有BJT的一些致命缺點，如熱破壞（thermal runaway）。另外，金氧半場效電晶體線上性區的壓控電阻特性亦可在積體電路里用來取代傳統的多晶矽電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶矽—絕緣體—多晶矽電容（PIP capacitor），甚至在適當的電路控制下可以表現出電感（inductor）的特性，這些好處都是BJT很難提供的。也就是說，金氧半場效電晶體除了扮演原本電晶體的角色外，也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動組件（passive device）。這樣的優點讓採用金氧半場效電晶體實現模擬電路不但可以滿足規格上的需求，還可以有效縮小晶片的面積，降低生產成本。
