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(Å)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
上圖中的 MOSFET 符號中,基極端和源極端均接在一起,但在積體 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 會出現基板效應(body effect)而部份改變 其操作特性,將在後面的章節中詳述。
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維基知事 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/MOSFET