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；英語：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫：MOSFET），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）。

基本介紹

• 中文名：金屬氧化物半導體場效電電晶體
• 外文名：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
• 簡稱：金氧半場效電晶體
• 縮寫：MOSFET

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），如下圖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。

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，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。

幾種常見的MOSFET電路符號，加上結型場效應管一起比較：

圖1 常見的MOSFET電路符號

上圖中的金氧半場效電晶體符號中，基極端和源極端均接在一起，一般分立元件的MOSFET幾乎均如此，但在積體電路中的金氧半場效電晶體則並不一定是這樣連線。通常一顆積體電路晶片中相同溝道的金氧半場效電晶體都共享同一個基極，故某些情況下的金氧半場效電晶體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）電路中的部分NMOS就是如此。基極與源極沒有直接相連的金氧半場效電晶體會出現襯底效應（body effect）而部分改變其工作特性。

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。

1、累積：考慮一個p型的半導體（空穴濃度為NA）形成的MOS電容，當給電容器加負電壓時，電荷增加。

2、耗盡：相反，當一個正的電壓VGB施加在柵極與基極端時，空穴的濃度會減少（稱為耗盡），電子的濃度會增加。

3、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。

金氧半場效電晶體的結構

如圖2是一個n-type金氧半場效電晶體（以下簡稱NMOS）的截面圖。如前所述，金氧半場效電晶體的核心是位於中央的MOS電容，而左右兩側則是它的源極與漏極。源極與漏極的特性必須同為n-type（即NMOS）或是同為p-type（即PMOS）。圖2中NMOS的源極與漏極上標示的“N+”代表著兩個意義：（1）N代表摻雜（doped）在源極與漏極區域的雜質極性為N；（2）“+”代表這個區域為高摻雜濃度區域（heavily doped region），也就是此區的電子濃度遠高於其他區域。在源極與漏極之間被一個極性相反的區域隔開，也就是所謂的基極（或稱基體）區域。如果是NMOS，那么其基體區的摻雜就是p-type。反之對PMOS而言，基體應該是n-type，而源極與漏極則為p-type（而且是重摻雜的P+）。基體的摻雜濃度不需要如源極或漏極那么高，故在左圖中沒有“+”，作為溝道用。

對這個NMOS而言，真正用來作為溝道、讓載流子通過的只有MOS電容正下方半導體的表面區域。當一個正電壓施加在柵極上，帶負電的電子就會被吸引至表面，形成溝道，讓n-type半導體的多數載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這個電壓被移除，或是放上一個負電壓，那么溝道就無法形成，載流子也無法在源極與漏極之間流動，也就是可以透過柵極的電壓控制溝道的開關。

假設工作的對象換成PMOS，那么源極與漏極為p-type、基體則是n-type。在PMOS的柵極上施加負電壓，則半導體上的空穴會被吸引到表面形成溝道，半導體的多數載流子—空穴則可以從源極流向漏極。假設這個負電壓被移除，或是加上正電壓，那么溝道無法形成，一樣無法讓載流子在源極和漏極間流動。特別要說明的是，源極在金氧半場效電晶體里的意思是“提供多數載流子的來源”。對NMOS而言，多數載流子是電子；對PMOS而言，多數載流子是空穴。相對的，漏極就是接受多數載流子的端點。

圖2 一個NMOS電晶體的立體截面圖

金氧半場效電晶體的工作模式

依照在金氧半場效電晶體的柵極、源極，與漏極等三個端點施加的偏置（bias）不同，金氧半場效電晶體將有下列三種工作模式。下面將以一種簡化代數模型來討論。現代MOS管的特性比這裡展示的代數模型更加複雜。

對於增強型N溝道MOS管來說，這3種工作模式分別為：

1、截止區（亞閾值區或弱反轉區）

當 |VGS| < |Vth| 時：

|VGS| 代表柵極到源極的偏置差，|Vth| 為材料的臨界電壓。這個金氧半場效電晶體是處在截止（cut-off）的狀態，溝道無法反轉，並沒有足夠的多數載流子，電流無法流過這個金氧半場效電晶體，也就是這個金氧半場效電晶體不導通。

但事實上，金氧半場效電晶體無電流通過的敘述和現實有些微小的差異。在真實的狀況下，因為載流子的能量依循麥克斯韋-玻爾茲曼分布而有高低的差異。雖然金氧半場效電晶體的溝道沒有形成，但仍然有些具有較高能量的載流子可以從半導體表面流至漏極。而若是 |VGS| 略大於零，但小於 |Vth| 的情況下，還會有一個稱為弱反轉層（weak inversion layer）的區域在半導體表面出現，讓更重載子流過。透過弱反轉而從源極流至漏極的載流子數量與 |VGS| 的大小之間呈指數的關係，此電流又稱為亞閾值電流（subthreshold current）。

在一些擁有大量金氧半場效電晶體的積體電路產品，如動態隨機存取存儲器（DRAM），次臨限電流往往會造成額外的能量或功率消耗。

2、線性區（三極區或歐姆區）

當 VGS > Vth 且 VGD > Vth 時：

此處VDS為NMOS漏極至源極的電壓，則這顆NMOS為導通的狀況，在氧化層下方的溝道也已形成。此時這顆NMOS的行為類似一個壓控電阻（voltage-controlled resistor），而由漏極向源極流出的電流大小為：

μn是載流子遷移率（carrier mobility）、W是金氧半場效電晶體的柵極寬度、L是金氧半場效電晶體的柵極長度，而Cox則是柵極氧化層的單位電容大小。在這個區域內，金氧半場效電晶體的電流—電壓關係有如一個線性方程式，因而稱為線性區。

3、飽和區（放大區）

當 VGS > Vth 且 VGD < Vth 時：

這顆金氧半場效電晶體為導通的狀況，也形成了溝道讓電流通過。但是隨著漏極電壓增加，超過柵極電壓時，會使得接近漏極區的反轉層電荷為零，此處的溝道消失（如圖），這種狀況稱之為夾斷（pinch-off）。在這種狀況下，由源極出發的載流子經由溝道到達夾斷點時，會被注入漏極周圍的空間電荷區（space charge region），再被電場掃入漏極。此時通過金氧半場效電晶體的電流與其漏極—源極間的電壓VDS無關，只與柵極電壓有關，主要原因在於靠近漏極區的柵極電壓已經不足以讓溝道反轉，而造成所能提供的載流子有限，限制住了溝道的電流大小，關係式如下：

圖3 NMOS的漏極電流與漏極電壓的關係

上述的公式也是理想狀況下，金氧半場效電晶體在飽和區工作的電流與電壓關係式。事實上在飽和區的金氧半場效電晶體漏極電流會因為溝道長度調製效應而改變，並非與VDS全然無關。考慮溝道長度調製效應之後的飽和區電流—電壓關係式如下：

襯底效應

一般而言，源極電壓與襯底電壓兩者接在一起V_SB=0，但在實際上V_SB>0（對P型襯底而言），此時襯底與源極產生逆偏，使得耗盡區電荷增加，因此使臨界電壓增加的現象稱為襯底效應（Body Effect）。襯底效應通常是負面的，臨界電壓之變化常會使模擬電路或數字電路設計更加複雜。MOS受到襯底效應影響，臨界電壓會有所改變，公式如下：

是基極與源極之間無電位差時的臨界電壓， 是襯底效應參數， 則是與半導體能階相關的參數。

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，如此一來較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，例如較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來得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。

隨著半導體製造技術的進步，對於集成更多功能至單一晶片的需求也跟著大幅提升，此時用金氧半場效電晶體設計模擬電路的另外一個優點也隨之浮現。為了減少在印刷電路板上使用的積體電路數量、減少封裝成本與縮小系統的體積，很多原本獨立的模擬晶片與數字晶片被集成至同一個晶片內。金氧半場效電晶體原本在數字積體電路上就有很大的競爭優勢，在模擬積體電路上也大量採用金氧半場效電晶體之後，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），如模擬數字轉換器，也得以利用金氧半場效電晶體技術設計出性能更好的產品。