金屬氧化物半�(dǎo)��(chǎng)效應(yīng)�英語:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET,簡(jiǎn)稱金氧半�(chǎng)�晶體�,是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的�(chǎng)�晶體��
金屬氧化物半�(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(英語:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),�(jiǎn)稱金氧半�(chǎng)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�(chǎng)效晶體管。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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溝道型,通常被稱為N型金氧半�(chǎng)效晶體管(NMOSFET)與P型金氧半�(chǎng)效晶體管(PMOSFET��
以金氧半�(chǎng)效晶體管(MOSFET)的命名來看,事�(shí)上會(huì)讓人得到�(cuò)誤的印象。因?yàn)镸OSFET跟英文單字“metal(金屬)”的�(gè)字母M,在�(dāng)下大部分同類的組件里是不存在�。早期金氧半�(chǎng)效晶體管柵極使用金屬作為材料,但隨著半導(dǎo)體技�(shù)的�(jìn)�,現(xiàn)代的金氧半場(chǎng)效晶體管柵極已用多晶硅取代了金屬�
金氧半場(chǎng)效晶體管在概念上屬于“絕緣柵極場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效晶體管組件�(shí)比較喜歡用IGFET,但是這些IGFET多半指的是金氧半�(chǎng)效晶體管�
金氧半場(chǎng)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�?)不等,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(dǎo)體組件的材料通常以硅�,但是也有些半導(dǎo)體公司發(fā)展出使用其他半導(dǎo)體材料的制程,當(dāng)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(dǎo)體材料,如砷化鎵(GaAs�,因?yàn)闊o法在表面�(zhǎng)出品�(zhì)夠好的氧化層,所以無法用來制造金氧半�(chǎng)效晶體管組件�
�(dāng)一�(gè)夠大的電位差施于金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極與源極之間�(shí),電�(chǎng)�(huì)在氧化層下方的半�(dǎo)體表面形成感�(yīng)電荷,而這時(shí)就會(huì)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�(shè)漏極和源極是n�,那么溝道也�(huì)是n�。溝道形成后,金氧半�(chǎng)效晶體管即可讓電流通過,而依�(jù)施于柵極的電壓值不同,可由金氧半場(chǎng)效晶體管的溝道流過的電流大小亦會(huì)受其控制而改��
常用于金氧半�(chǎng)效晶體管的電路符�(hào)有多種形�,最常見的設(shè)�(jì)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�,如下圖所示。有�(shí)也會(huì)將代表溝道的直線以虛線代�,以區(qū)分增�(qiáng)型(enhancementmode,又稱增�(qiáng)式)金氧半場(chǎng)效晶體管或是耗盡型(depletionmode,又稱耗盡式)金氧半場(chǎng)效晶體管�
由于集成電路芯片上的金氧半場(chǎng)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�(chǎng)效晶體管電路符號(hào)�,從溝道往右延伸的箭號(hào)方向則可表示此組件為n型或是p型的金氧半場(chǎng)效晶體管。箭頭方向永�(yuǎn)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(chǎng)效晶體管,或�(jiǎn)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型,此組件為n型的金氧半場(chǎng)效晶體管,簡(jiǎn)稱NMOS。在一般分散式金氧半場(chǎng)效晶體管組件�,通常把基極和源極接在一�,故分散式金氧半�(chǎng)效晶體管通常為三端組�。而在集成電路中的金氧半場(chǎng)效晶體管通常�?yàn)槭褂猛粋€(gè)基極(commonbulk�,所以不�(biāo)示出基極的極�,而在PMOS的柵極端多加一�(gè)圓圈以示區(qū)��
金氧半場(chǎng)效晶體管的核�
金屬—氧化層—半�(dǎo)體結(jié)�(gòu)
金氧半場(chǎng)效晶體管在結(jié)�(gòu)上以一�(gè)金屬—氧化物層—半�(dǎo)體的電容為核心(�(xiàn)在的金氧半場(chǎng)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�。這樣的結(jié)�(gòu)正好等于一�(gè)電容器(capacitor),氧化層為電容器中介電�(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�(gè)端點(diǎn)�
�(dāng)一�(gè)電壓施加在MOS電容的兩端時(shí),半�(dǎo)體的電荷分布也會(huì)跟著改變??紤]一�(gè)p型的半導(dǎo)體(電洞濃度為NA)形成的MOS電容,當(dāng)一�(gè)正的電壓VGB施加在柵極與基極端時(shí),電洞的濃度�(huì)減少,電子的濃度�(huì)增加。當(dāng)VGB夠強(qiáng)�(shí),接近柵極端的電子濃度會(huì)超過電洞。這�(gè)在p-type半導(dǎo)體中,電子濃度(帶負(fù)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(chǎng)效晶體管的操作特性,但是一�(gè)完整的金氧半�(chǎng)效晶體管�(jié)�(gòu)還需要一�(gè)提供多數(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(chǎng)效晶體管的結(jié)�(gòu)
如前所�,金氧半�(chǎng)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�。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(biāo)示的“N+”代表著兩�(gè)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�(gè)區(qū)�?yàn)楦邠诫s濃度區(qū)域(heavilydopedregion�,也就是此區(qū)的電子濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)�。在源極與漏極之間被一�(gè)極性相反的區(qū)域隔開,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(duì)PMOS而言,基體應(yīng)該是n-type,而源極與漏極則為p-type(而且是重?fù)诫s的P+�?;w的摻雜濃度不需要如源極或漏極那么高,故在左圖中沒有�+��
�(duì)這�(gè)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�(dǎo)體的表面區(qū)�。當(dāng)一�(gè)正電壓施加在柵極�,帶�(fù)電的電子就會(huì)被吸引至表面,形成溝�,讓n-type半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這�(gè)電壓被移除,或是放上一�(gè)�(fù)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�(dòng)�
假設(shè)操作的對(duì)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�(fù)電壓,則半導(dǎo)體上的空穴會(huì)被吸引到表面形成溝道,半�(dǎo)體的多數(shù)載流子—空穴則可以從源極流向漏�。假�(shè)這�(gè)�(fù)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(dòng)�
特別要說明的�,源極在金氧半場(chǎng)效晶體管里的意思是“提供多�(shù)載流子的來源”。對(duì)NMOS而言,多�(shù)載流子是電子;對(duì)PMOS而言,多�(shù)載流子是空穴。相�(duì)�,漏極就是接受多�(shù)載流子的端點(diǎn)�
金氧半場(chǎng)效晶體管的操作模�
依照在金氧半�(chǎng)效晶體管的柵�、源極,與漏極等三�(gè)端點(diǎn)施加的“偏置”(bias)不�,一�(gè)常見的加�(qiáng)型(enhancementmode)n-type�
維庫電子通,電子知識(shí),一查百��
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