金屬氧化物半導體場效應管英語:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET,簡稱金氧半場效晶體管,是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體��
金屬氧化物半導體場效應管(英語:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET�,簡稱金氧半場效晶體�,是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體�。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�(shù)的N溝道型與空穴占多�(shù)的P溝道�,通常被稱為N型金氧半場效晶體管(NMOSFET)與P型金氧半場效晶體管(PMOSFET��
以金氧半場效晶體管(MOSFET)的命名來看,事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET跟英文單字“metal(金屬)”的個字母M,在當下大部分同類的組件里是不存在的。早期金氧半場效晶體管柵極使用金屬作為材�,但隨著半導體技�(shù)的進步,現(xiàn)代的金氧半場效晶體管柵極已用多晶硅取代了金屬�
金氧半場效晶體管在概念上屬于“絕緣柵極場效晶體管”(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET�。而IGFET的柵極絕緣層,有可能是其他物�(zhì),而非金氧半場效晶體管使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場效晶體管組件時比較喜歡用IGFET,但是這些IGFET多半指的是金氧半場效晶體��
金氧半場效晶體管里的氧化層位于其溝道上方,依照其操作電壓的不�,這層氧化物的厚度僅有�(shù)十至�(shù)百埃�?)不�,通常材料是二氧化硅(SiO2�,不過有些新的制程已�(jīng)可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做為氧化層之用�
今日半導體組件的材料通常以硅�,但是也有些半導體公司發(fā)展出使用其他半導體材料的制程,當中最的例如IBM使用硅與鍺的混合物所�(fā)展的硅鍺制程(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(zhì)夠好的氧化層,所以無法用來制造金氧半場效晶體管組件�
當一個夠大的電位差施于金氧半場效晶體管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,而這時就會形成所謂的“反�(zhuǎn)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�。溝道形成后,金氧半場效晶體管即可讓電流通過,而依�(jù)施于柵極的電壓值不�,可由金氧半場效晶體管的溝道流過的電流大小亦會受其控制而改��
常用于金氧半場效晶體管的電路符號有多種形�,最常見的設計是以一條垂直線代表溝道(Channal�,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�,如下圖所�。有時也會將代表溝道的直線以虛線代替,以區(qū)分增強型(enhancementmode,又稱增強式)金氧半場效晶體管或是耗盡型(depletionmode,又稱耗盡式)金氧半場效晶體管�
由于集成電路芯片上的金氧半場效晶體管為四端組�,所以除了源極(S)、漏極(D�、柵極(G)外,尚有一基極(Bulk或是Body�。金氧半場效晶體管電路符號中,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型的金氧半場效晶體管。箭頭方向永遠從P端指向N�,所以箭頭從溝道指向基極端的為p型的金氧半場效晶體管,或簡稱PMOS(代表此組件的溝道為p型);反之則代表基極為p�,而溝道為n�,此組件為n型的金氧半場效晶體管,簡稱NMOS。在一般分散式金氧半場效晶體管組件�,通常把基極和源極接在一�,故分散式金氧半場效晶體管通常為三端組件。而在集成電路中的金氧半場效晶體管通常因為使用同一個基極(commonbulk�,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(qū)��
金氧半場效晶體管的核�
金屬—氧化層—半導體�(jié)�(gòu)
金氧半場效晶體管在結(jié)�(gòu)上以一個金屬—氧化物層—半導體的電容為核心(現(xiàn)在的金氧半場效晶體管多半以多晶硅取代金屬作為其柵極材料),氧化層的材料多半是二氧化硅,其下是作為基極的硅,而其上則是作為柵極的多晶硅。這樣的結(jié)�(gòu)正好等于一個電容器(capacitor�,氧化層為電容器中介電質(zhì)(dielectricmaterial�,而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數(shù)(dielectricconstant)來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為MOS電容的兩個端��
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�??紤]一個p型的半導體(電洞濃度為NA)形成的MOS電容,當一個正的電壓VGB施加在柵極與基極端時,電洞的濃度會減�,電子的濃度會增加。當VGB夠強�,接近柵極端的電子濃度會超過電洞。這個在p-type半導體中,電子濃度(帶負電荷)超過電洞(帶正電荷)濃度的區(qū)�,便是所謂的反轉(zhuǎn)層(inversionlayer��
MOS電容的特性決定了金氧半場效晶體管的操作特�,但是一個完整的金氧半場效晶體管�(jié)�(gòu)還需要一個提供多�(shù)載流子(majoritycarrier)的源極以及接受這些多數(shù)載流子的漏極�
金氧半場效晶體管的結(jié)�(gòu)
如前所述,金氧半場效晶體管的核心是位于中央的MOS電容,而左右兩�(cè)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�。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(qū)域的雜質(zhì)極性為N;�+”代表這個區(qū)域為高摻雜濃度區(qū)域(heavilydopedregion�,也就是此區(qū)的電子濃度遠高于其他區(qū)�。在源極與漏極之間被一個極性相反的區(qū)域隔�,也就是所謂的基極(或稱基體)區(qū)�。如果是NMOS,那么其基體區(qū)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�+��
對這個NMOS而言,真正用來作為溝�、讓載流子通過的只有MOS電容正下方半導體的表面區(qū)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�,形成溝道,讓n-type半導體的多數(shù)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移��
假設操作的對象換成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�,則半導體上的空穴會被吸引到表面形成溝道,半導體的多�(shù)載流子—空穴則可以從源極流向漏�。假設這個負電壓被移�,或是加上正電壓,那么溝道無法形�,一樣無法讓載流子在源極和漏極間移動�
特別要說明的�,源極在金氧半場效晶體管里的意思是“提供多�(shù)載流子的來源�。對NMOS而言,多�(shù)載流子是電子;對PMOS而言,多�(shù)載流子是空穴。相對的,漏極就是接受多�(shù)載流子的端點�
金氧半場效晶體管的操作模�
依照在金氧半場效晶體管的柵極、源�,與漏極等三個端點施加的“偏置”(bias)不同,一個常見的加強型(enhancementmode)n-type�
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