場效電晶體工作原理

MOSFET剖面與運作原理示意圖2-12。圖2-12中定義場效電晶體 中重要兩個參數：汲極與源極兩電極之間的寬W（導電電子通道寬 度，channel width）與兩電極之間的距離L（導電電子通道長度，channel length）。這兩參數在半導體層必須為固定的數值，因此在設計場效 電晶體過程中必須考慮到這兩個參數的固定。場效電晶體運作時必須 外加電壓到電極上，一般而言會在汲極與閘極上分別外加電壓標示分 別為Vd與Vg。源極通常為接地使源極電壓保持為零（Vs = 0），因此 源極與閘極之間的電位差即為Vg，而汲極於源極之間的電位差表示為 Vds。源極為電荷流入端，若外加正電壓在閘極上時源極會充滿負電 荷（電子流入）；外加負電壓在閘極上則源極會充滿正電荷（電洞流 入）。整個電晶體透過源極來提供導電的電子或電洞。

圖2-12 MOSFET剖面圖與運作示意圖³⁴。

場效電晶體工作方式將以P型半導體層（n通道場效電晶體，

位能分佈如圖2-13所示。在金屬層中，電子可以填滿至費米能階（E_f） 為導體；絕緣氧化物，因為其絕緣不導電表示為一個高的能量障礙的 能階；半導體材料因缺乏電子而電子分佈低於費米能階之下。

圖2-13 金屬-絕緣氧化物-半導體材料介面位能示意圖³¹。

閘極結構類似電容因此若在閘極上加上正電壓，閘極金屬層將會 累積正電荷，而在氧化物絕緣層另一邊（半導體層）則是被吸引等量 的負電存在。這些電子與半導體中的電洞結合（若是在閘極加上負偏 壓則半導體層帶正電荷排斥電洞），在靠近氧化層的P型半導體形成 空乏區，但是整個電晶體並不導通。若閘極正電壓持續增加，將會使 電荷逐漸填滿電洞與材料結構上的缺陷部分當電荷填滿之後在原本 的氧化層與半導體層介面中出現導電電子層（反轉層），如圖2-14表 示 。 出 現 反 轉 層 時 所 外 加 的 閘 極 電 壓 稱 為 臨 界 電 壓V_Th(threshold voltage)。之後再增加的閘極電壓用來增加導電電子層電子數目，其 有效閘極電壓為V_g-V_Th。因此控制材料表面上的缺陷可以使臨界電壓

下降，使電晶體可工作範圍加大。

（a） （b）

圖2-14 導電電子層（反轉層）產生示意圖（a）外加正電壓使電位能 改變，但未達臨界電壓。（b）達到臨界電壓在半導體與絕緣體介面

產生導電電子層（反轉層）³¹。

圖2-15（a）-（c）表示場效電晶體剖面圖示意圖與其在工作範圍 內電流與電壓之間的特性與關係。當閘極電壓大於臨界電壓，在汲極 與源極不加任何電壓（Vds= 0），此時電晶體的導電通道在會均勻的 分佈在介面層。若汲極加上電壓並控制Vds很小（Vds<<Vg），此時電 流與電壓關係將呈現線性關係如圖2-15（a）所示。場效電晶體如同 由閘極電壓控制的可變電阻，當增加Vds電壓時電流I_D亦隨之增加。繼 續增加Vds達到V_ds =V_g −V_Th，如圖2-15（b）所示，時最靠汲極的反轉 層消失導電電子通道被夾止（pinched off）在汲極通道夾止點上電壓 為V_d =V_g −V_Th此時電流為Ids,sat為流過汲極與源極夾止點之間最大電 流值。如果Vds繼續增加，通道被夾止的長度∆L長度會稍微變大但仍 然遠小於總長度L，如圖2-15（c）所示。而反轉層夾止點X電位保持 為V(X) =V_g −V_Th，與V_ds無關。換句話說電子通道、電子濃度分佈與 大小都不隨Vds而改變，因此通過之電流Ids,sat亦不隨之改變而保持穩

圖2-15 場效電晶體運作時電流與電壓關係示意圖（a）線性關係（b）