MOSFET

　　1結(jié)構(gòu)

　　圖1是典型平面N溝道增強(qiáng)型MOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底（圖la），在其面上擴(kuò)散了兩個(gè)N型區(qū)（圖lb），再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2）絕緣層（圖1c），最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個(gè)孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)電極：G(柵極）、S（源極）及D（漏極），如圖1d所示。

　  平面N溝道增強(qiáng)型MOSFET

　　從圖1中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個(gè)PN結(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。

　　圖3是N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)圖。為了改善某些參數(shù)的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝，構(gòu)成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。圖2是一種N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的結(jié)構(gòu)圖。雖然有不同的結(jié)構(gòu)，但其工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。

　　2工作原理

　　要使增強(qiáng)型N溝道MOSFET工作，要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。如圖3所示（上面↑）。

　　若先不接VGS（即VGS=0），在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結(jié)處于反向，因此漏源之間不能導(dǎo)電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時(shí)可以將柵極與襯底看作電容器的兩個(gè)極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質(zhì)。當(dāng)加上VGS時(shí)，在絕緣層和柵極界面上感應(yīng)出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應(yīng)出負(fù)電荷（如圖3）。這層感應(yīng)的負(fù)電荷和P型襯底中的多數(shù)載流子（空穴）的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連接起來形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)VGS電壓太低時(shí)，感應(yīng)出來的負(fù)電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時(shí)，漏源之間仍然無電流ID。當(dāng)VGS增加到一定值時(shí)，其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個(gè)分離的N區(qū)溝通形成N溝道，這個(gè)臨界電壓稱為開啟電壓（或稱閾值電壓、門限電壓），用符號(hào)VT表示（一般規(guī)定在ID=10uA時(shí)的VGS作為VT）。當(dāng)VGS繼續(xù)增大，負(fù)電荷增加，導(dǎo)電溝道擴(kuò)大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線性關(guān)系，如圖4所示。此曲線稱為轉(zhuǎn)換特性。因此在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為，改變VGS來控制漏源之間的電阻，達(dá)到控制ID的作用。

　　由于這種結(jié)構(gòu)在VGS=0時(shí)，ID=0，稱這種MOSFET為增強(qiáng)型。另一類MOSFET，在VGS=0時(shí)也有一定的ID（稱為IDSS），這種MOSFET稱為耗盡型。它的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的轉(zhuǎn)移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓（ID=0）。

　　耗盡型與增強(qiáng)型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個(gè)N型區(qū)中間的P型硅內(nèi)形成一N型硅薄層而形成一導(dǎo)電溝道，所以在VGS=0時(shí)，有VDS作用時(shí)也有一定的ID(IDSS）；當(dāng)VGS有電壓時(shí)（可以是正電壓或負(fù)電壓），改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變ID的大小。VP為ID=0時(shí)的-VGS，稱為夾斷電壓。

　　3詳細(xì)信息

　　概述

　　從名字表面的角度來看MOSFET的命名，事實(shí)上會(huì)讓人得到錯(cuò)誤的印象。因?yàn)镸OSFET里代表“metal”的第一個(gè)字母M在當(dāng)下大部分同類的元件里是不存在的。早期MOSFET的柵極（gate electrode）使用金屬作為其材料，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，隨后MOSFET柵極使用多晶硅取代了金屬。在處理器中，多晶硅柵已經(jīng)不是主流技術(shù)，從英特爾采用45納米線寬的P1266處理器開始，柵極開始重新使用金屬。。

　　MOSFET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質(zhì)而非MOSFET使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場(chǎng)效晶體管元件時(shí)比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是MOSFET。

　　MOSFET里的氧化層位于其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數(shù)十至數(shù)百埃（Å）不等，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide,SiO2），不過有些新的進(jìn)階制程已經(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)體元件的材料通常以硅（silicon）為首選，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)中最著名的例如IBM使用硅與鍺（germanium）的混合物所發(fā)展的硅鍺制程（silicon-germanium process,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（gallium arsenide,GaAs），因?yàn)闊o法在表面長(zhǎng)出品質(zhì)夠好的氧化層，所以無法用來制造MOSFET元件。

　　當(dāng)一個(gè)夠大的電位差施于MOSFET的柵極與源極（source）之間時(shí)，電場(chǎng)會(huì)在氧化層下方的半導(dǎo)體表面形成感應(yīng)電荷，而這時(shí)所謂的“反型層”（inversion channel）就會(huì)形成。通道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設(shè)漏極和源極是N型，那么通道也會(huì)是N型。通道形成后，MOSFET即可讓電流通過，而依據(jù)施于柵極的電壓值不同，可由MOSFET的通道流過的電流大小亦會(huì)受其控制而改變。

　　電路符號(hào)

　　常用于MOSFET的電路符號(hào)有很多種變化，最常見的設(shè)計(jì)是以一條直線代表通道，兩條和通道垂直的線代表源極與漏極，左方和通道平行而且較短的線代表柵極，如下圖所示。有時(shí)也會(huì)將代表通道的直線以破折線代替，以區(qū)分增強(qiáng)型MOSFET（enhancement mode MOSFET）或是耗盡型MOSFET（depletion mode MOSFET）。

　　由于集成電路芯片上的MOSFET為四端元件，所以除了柵極、源極、漏極外，尚有一基極（Bulk或是Body）。MOSFET電路符號(hào)中，從通道往右延伸的箭號(hào)方向則可表示此元件為N型或是P型的MOSFET。箭頭方向永遠(yuǎn)從P端指向N端，所以箭頭從通道指向基極端的為P型的MOSFET，或簡(jiǎn)稱PMOS（代表此元件的通道為P型）；反之若箭頭從基極指向通道，則代表基極為P型，而通道為N型，此元件為N型的MOSFET，簡(jiǎn)稱NMOS。在一般分布式MOSFET元件（discrete device）中，通常把基極和源極接在一起，故分布式MOSFET通常為三端元件。而在集成電路中的MOSFET通常因?yàn)槭褂猛粋€(gè)基極（common bulk），所以不標(biāo)示出基極的極性，而在PMOS的柵極端多加一個(gè)圓圈以示區(qū)別。

　　操作原理

　　MOSFET的核心：金屬—氧化層—半導(dǎo)體電容

　　金屬—氧化層—半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)MOSFET在結(jié)構(gòu)上以一個(gè)金屬—氧化層—半導(dǎo)體的電容為核心（如前所述，今日的MOSFET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。這樣子的結(jié)構(gòu)正好等于一個(gè)電容器（capacitor），氧化層扮演電容器中介電質(zhì)（dielectric material）的角色，而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數(shù)（dielectric constant）來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為MOS電容的兩個(gè)端點(diǎn)。

　　當(dāng)一個(gè)電壓施加在MOS電容的兩端時(shí)，半導(dǎo)體的電荷分布也會(huì)跟著改變?？紤]一個(gè)P型的半導(dǎo)體（空穴濃度為NA）形成的MOS電容，當(dāng)一個(gè)正的電壓VGB施加在柵極與基極端（如圖）時(shí)，空穴的濃度會(huì)減少，電子的濃度會(huì)增加。當(dāng)VGB夠強(qiáng)時(shí)，接近柵極端的電子濃度會(huì)超過空穴。這個(gè)在P型半導(dǎo)體中，電子濃度（帶負(fù)電荷）超過空穴（帶正電荷）濃度的區(qū)域，便是所謂的反轉(zhuǎn)層（inversion layer）。

　　MOS電容的特性決定了MOSFET的操作特性，但是一個(gè)完整的MOSFET結(jié)構(gòu)還需要一個(gè)提供多數(shù)載流子（majority carrier）的源極以及接受這些多數(shù)載流子的漏極。

　　結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)NMOS晶體管的立體截面圖左圖是一個(gè)N型 MOSFET（以下簡(jiǎn)稱NMOS）的截面圖。如前所述，MOSFET的核心是位于中央的MOS電容，而左右兩側(cè)則是它的源極與漏極。源極與漏極的特性必須同為N型（即NMOS）或是同為P型（即PMOS）。右圖NMOS的源極與漏極上標(biāo)示的“N+”代表著兩個(gè)意義：⑴N代表摻雜（doped）在源極與漏極區(qū)域的雜質(zhì)極性為N；⑵“+”代表這個(gè)區(qū)域?yàn)楦邠诫s濃度區(qū)域（heavily doped region），也就是此區(qū)的電子濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。在源極與漏極之間被一個(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)域。如果是NMOS，那么其基體區(qū)的摻雜就是P型。反之對(duì)PMOS而言，基體應(yīng)該是N型，而源極與漏極則為P型（而且是重（讀作zhong）摻雜的P+）?；w的摻雜濃度不需要如源極或漏極那么高，故在右圖中沒有“+”。

　　對(duì)這個(gè)NMOS而言，真正用來作為通道、讓載流子通過的只有MOS電容正下方半導(dǎo)體的表面區(qū)域。當(dāng)一個(gè)正電壓施加在柵極上，帶負(fù)電的電子就會(huì)被吸引至表面，形成通道，讓N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這個(gè)電壓被移除，或是放上一個(gè)負(fù)電壓，那么通道就無法形成，載流子也無法在源極與漏極之間流動(dòng)。

　　假設(shè)操作的對(duì)象換成PMOS，那么源極與漏極為P型、基體則是N型。在PMOS的柵極上施加負(fù)電壓，則半導(dǎo)體上的空穴會(huì)被吸引到表面形成通道，半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—空穴則可以從源極流向漏極。假設(shè)這個(gè)負(fù)電壓被移除，或是加上正電壓，那么通道無法形成，一樣無法讓載流子在源極和漏極間流動(dòng)。

　　特別要說明的是，源極在MOSFET里的意思是“提供多數(shù)載流子的來源”。對(duì)NMOS而言，多數(shù)載流子是電子；對(duì)PMOS而言，多數(shù)載流子是空穴。相對(duì)的，漏極就是接受多數(shù)載流子的端點(diǎn)。

　　4操作模式

　　NMOS的漏極電流與漏極電壓之間在不同VGSVth的關(guān)系

　　MOSFET在線性區(qū)操作的截面圖

　　MOSFET在飽和區(qū)操作的截面圖依照在MOSFET的柵極、源極，與漏極等三個(gè)端點(diǎn)施加的“偏壓”（bias）不同，一個(gè)常見的加強(qiáng)型（enhancement mode）N型 MOSFET有下列三種操作區(qū)間：截止或次臨限區(qū)（cut-off or sub-threshold region）　當(dāng)柵極和源極間的電壓VGS（G代表柵極，S代表源極）小于一個(gè)稱為臨界電壓（threshold voltage,Vth）的值時(shí)，這個(gè)MOSFET是處在“截止”（cut-off）的狀態(tài)，電流無法流過這個(gè)MOSFET，也就是這個(gè)MOSFET不導(dǎo)通。

　　但事實(shí)上當(dāng)VGS>Vth、且VDS=0，一些擁有大量MOSFET的集成電路產(chǎn)品，如DRAM，次臨限電流往往會(huì)造成額外的能量或功率消耗。

　　5應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)作成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發(fā)明的雙載流子晶體管（Bipolar Junction Transistor,BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型集成電路（Large-Scale Integrated Circuits,LSI）或是超大型集成電路（Very Large-Scale Integrated Circuits,VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過BJT。

　　由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位信號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來越多模擬信號(hào)處理的集成電路可以用MOSFET來實(shí)現(xiàn)，以下分別介紹這些應(yīng)用。

　　數(shù)位電路

　　數(shù)位科技的進(jìn)步，如微處理器運(yùn)算效能不斷提升，帶給深入研發(fā)新一代MOSFET更多的動(dòng)力，這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導(dǎo)體主動(dòng)元件中最快的一種。MOSFET在數(shù)位信號(hào)處理上最主要的成功來自CMOS邏輯電路的發(fā)明，這種結(jié)構(gòu)最大的好處是理論上不會(huì)有靜態(tài)的功率損耗，只有在邏輯門（logic gate）的切換動(dòng)作時(shí)才有電流通過。CMOS邏輯門最基本的成員是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣，同一時(shí)間內(nèi)必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導(dǎo)通的狀態(tài)下，另一種必定是截止?fàn)顟B(tài)，這使得從電源端到接地端不會(huì)有直接導(dǎo)通的路徑，大量節(jié)省了電流或功率的消耗，也降低了集成電路的發(fā)熱量。

　　MOSFET在數(shù)位電路上應(yīng)用的另外一大優(yōu)勢(shì)是對(duì)直流（DC）信號(hào)而言，MOSFET的柵極端阻抗為無限大（等效于開路），也就是理論上不會(huì)有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點(diǎn)，而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓MOSFET和他們最主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手BJT相較之下更為省電，而且也更易于驅(qū)動(dòng)。在CMOS邏輯電路里，除了負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)芯片外負(fù)載（off-chip load）的驅(qū)動(dòng)器（driver）外，每一級(jí)的邏輯門都只要面對(duì)同樣是MOSFET的柵極，如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅(qū)動(dòng)力。相較之下，BJT的邏輯電路（例如最常見的TTL）就沒有這些優(yōu)勢(shì)。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對(duì)于電路設(shè)計(jì)工程師而言亦有其他優(yōu)點(diǎn)，例如較不需考慮邏輯門輸出端的負(fù)載效應(yīng)（loading effect）。

　　模擬電路

　　有一段時(shí)間，MOSFET并非模擬電路設(shè)計(jì)工程師的首選，因?yàn)槟M電路設(shè)計(jì)重視的性能參數(shù)，如晶體管的轉(zhuǎn)導(dǎo)（transconductance）或是電流的驅(qū)動(dòng)力上，MOSFET不如BJT來得適合模擬電路的需求。但是隨著MOSFET技術(shù)的不斷演進(jìn)，今日的CMOS技術(shù)也已經(jīng)可以符合很多模擬電路的規(guī)格需求。再加上MOSFET因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，沒有BJT的一些致命缺點(diǎn)，如熱破壞（thermal runaway）。另外，MOSFET在線性區(qū)的壓控電阻特性亦可在集成電路里用來取代傳統(tǒng)的多晶硅電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容（PIP capacitor），甚至在適當(dāng)?shù)碾娐房刂葡驴梢员憩F(xiàn)出電感（inductor）的特性，這些好處都是BJT很難提供的。也就是說，MOSFET除了扮演原本晶體管的角色外，也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動(dòng)元件（passive device）。這樣的優(yōu)點(diǎn)讓采用MOSFET實(shí)現(xiàn)模擬電路不但可以滿足規(guī)格上的需求，還可以有效縮小芯片的面積，降低生產(chǎn)成本。

　　隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于整合更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升，此時(shí)用MOSFET設(shè)計(jì)模擬電路的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)也隨之浮現(xiàn)。為了減少在印刷電路板（Printed Circuit Board,PCB）上使用的集成電路數(shù)量、減少封裝成本與縮小系統(tǒng)的體積，很多原本獨(dú)立的類比芯片與數(shù)位芯片被整合至同一個(gè)芯片內(nèi)。MOSFET原本在數(shù)位集成電路上就有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在類比集成電路上也大量采用MOSFET之后，把這兩種不同功能的電路整合起來的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合信號(hào)電路（Mixed-signal circuits），如類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter,ADC），也得以利用MOSFET技術(shù)設(shè)計(jì)出效能更好的產(chǎn)品。

　　還有一種整合MOSFET與BJT各自優(yōu)點(diǎn)的制程技術(shù)：BiCMOS（Bipolar-CMOS）也越來越受歡迎。BJT元件在驅(qū)動(dòng)大電流的能力上仍然比一般的CMOS優(yōu)異，在可靠度方面也有一些優(yōu)勢(shì)，例如不容易被“靜電放電”（ESD）破壞。所以很多同時(shí)需要復(fù)噪聲號(hào)處理以及強(qiáng)大電流驅(qū)動(dòng)能力的集成電路產(chǎn)品會(huì)使用BiCMOS技術(shù)來制作。

　　尺寸縮放

　　過去數(shù)十年來，MOSFET的尺寸不斷地變小。早期的集成電路MOSFET制程里，通道長(zhǎng)度約在幾個(gè)微米（micrometer）的等級(jí)。但是到了今日的集成電路制程，這個(gè)參數(shù)已經(jīng)縮小了幾十倍甚至超過一百倍。2006年初，Intel開始以65納米（nanometer）的技術(shù)來制造新一代的微處理器，實(shí)際的元件通道長(zhǎng)度可能比這個(gè)數(shù)字還小一些。至90年代末，MOSFET尺寸不斷縮小，讓集成電路的效能大大提升，而從歷史的角度來看，這些技術(shù)上的突破和半導(dǎo)體制程的進(jìn)步有著密不可分的關(guān)系。

　　為何要把MOSFET的尺寸縮小

　　基于以下幾個(gè)理由，我們希望MOSFET的尺寸能越小越好。第一，越小的MOSFET象征其通道長(zhǎng)度減少，讓通道的等效電阻也減少，可以讓更多電流通過。雖然通道寬度也可能跟著變小而讓通道等效電阻變大，但是如果能降低單位電阻的大小，那么這個(gè)問題就可以解決。其次，MOSFET的尺寸變小意味著柵極面積減少，如此可以降低等效的柵極電容。此外，越小的柵極通常會(huì)有更薄的柵極氧化層，這可以讓前面提到的通道單位電阻值降低。不過這樣的改變同時(shí)會(huì)讓柵極電容反而變得較大，但是和減少的通道電阻相比，獲得的好處仍然多過壞處，而MOSFET在尺寸縮小后的切換速度也會(huì)因?yàn)樯厦鎯蓚€(gè)因素加總而變快。第三個(gè)理由是MOSFET的面積越小，制造芯片的成本就可以降低，在同樣的封裝里可以裝下更高密度的芯片。一片集成電路制程使用的晶圓尺寸是固定的，所以如果芯片面積越小，同樣大小的晶圓就可以產(chǎn)出更多的芯片，于是成本就變得更低了。

　　雖然MOSFET尺寸縮小可以帶來很多好處，但同時(shí)也有很多負(fù)面效應(yīng)伴隨而來。

　　MOSFET的尺寸縮小后出現(xiàn)的困難

　　把MOSFET的尺寸縮小到一微米以下對(duì)于半導(dǎo)體制程而言是個(gè)挑戰(zhàn)，不過新挑戰(zhàn)多半來自尺寸越來越小的MOSFET元件所帶來過去不曾出現(xiàn)的物理效應(yīng)。

　　次臨限傳導(dǎo)

　　由于MOSFET柵極氧化層的厚度也不斷減少，所以柵極電壓的上限也隨之變少，以免過大的電壓造成柵極氧化層崩潰（breakdown）。為了維持同樣的性能，MOSFET的臨界電壓也必須降低，但是這也造成了MOSFET越來越難以完全關(guān)閉。也就是說，足以造成MOSFET通道區(qū)發(fā)生弱反轉(zhuǎn)的柵極電壓會(huì)比從前更低，于是所謂的次臨限電流（subthreshold current）造成的問題會(huì)比過去更嚴(yán)重，特別是今日的集成電路芯片所含有的晶體管數(shù)量劇增，在某些VLSI的芯片，次臨限傳導(dǎo)造成的功率消耗竟然占了總功率消耗的一半以上。

　　不過反過來說，也有些電路設(shè)計(jì)會(huì)因?yàn)镸OSFET的次臨限傳導(dǎo)得到好處，例如需要較高的轉(zhuǎn)導(dǎo)/電流轉(zhuǎn)換比（transconductance-to-current ratio）的電路里，利用次臨限傳導(dǎo)的MOSFET來達(dá)成目的的設(shè)計(jì)也頗為常見。

　　芯片內(nèi)部連接導(dǎo)線的寄生電容效應(yīng)

　　傳統(tǒng)上，CMOS邏輯門的切換速度與其元件的柵極電容有關(guān)。但是當(dāng)柵極電容隨著MOSFET尺寸變小而減少，同樣大小的芯片上可容納更多晶體管時(shí)，連接這些晶體管的金屬導(dǎo)線間產(chǎn)生的寄生電容效應(yīng)就開始主宰邏輯門的切換速度。如何減少這些寄生電容，成了芯片效率能否向上突破的關(guān)鍵之一。

　　芯片發(fā)熱量增加

　　當(dāng)芯片上的晶體管數(shù)量大幅增加后，有一個(gè)無法避免的問題也跟著發(fā)生了，那就是芯片的發(fā)熱量也大幅增加。一般的集成電路元件在高溫下操作可能會(huì)導(dǎo)致切換速度受到影響，或是導(dǎo)致可靠度與壽命的問題。在一些發(fā)熱量非常高的集成電路芯片如微處理器，需要使用外加的散熱系統(tǒng)來緩和這個(gè)問題。

　　在功率晶體管（Power MOSFET）的領(lǐng)域里，通道電阻常常會(huì)因?yàn)闇囟壬叨黾?，這樣也使得在元件中pn-接面（pn-junction）導(dǎo)致的功率損耗增加。假設(shè)外置的散熱系統(tǒng)無法讓功率晶體管的溫度保持在夠低的水平，很有可能讓這些功率晶體管遭到熱破壞（thermal runaway）的命運(yùn)。

　　柵極氧化層漏電流增加

　　柵極氧化層隨著MOSFET尺寸變小而越來越薄，主流的半導(dǎo)體制程中，甚至已經(jīng)做出厚度僅有1.2納米的柵極氧化層，大約等于5個(gè)原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下，所有的物理現(xiàn)象都在量子力學(xué)所規(guī)范的世界內(nèi)，例如電子的穿隧效應(yīng)（tunneling effect）。因?yàn)榇┧硇?yīng)，有些電子有機(jī)會(huì)越過氧化層所形成的位能障壁（potential barrier）而產(chǎn)生漏電流，這也是今日集成電路芯片功耗的來源之一。

　　為了解決這個(gè)問題，有一些介電常數(shù)比二氧化硅更高的物質(zhì)被用在柵極氧化層中。例如鉿（Hafnium）和鋯（Zirconium）的金屬氧化物（二氧化鉿、二氧化鋯）等高介電常數(shù)的物質(zhì)均能有效降低柵極漏電流。柵極氧化層的介電常數(shù)增加后，柵極的厚度便能增加而維持一樣的電容大小。而較厚的柵極氧化層又可以降低電子透過穿隧效應(yīng)穿過氧化層的機(jī)率，進(jìn)而降低漏電流。不過利用新材料制作的柵極氧化層也必須考慮其位能障壁的高度，因?yàn)檫@些新材料的傳導(dǎo)帶（conduction band）和價(jià)帶（valence band）和半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶與價(jià)帶的差距比二氧化硅?。ǘ趸璧膫鲗?dǎo)帶和硅之間的高度差約為8ev），所以仍然有可能導(dǎo)致柵極漏電流出現(xiàn)。

　　制程變異更難掌控

　　現(xiàn)代的半導(dǎo)體制程工序復(fù)雜而繁多，任何一道制程都有可能造成集成電路芯片上的元件產(chǎn)生些微變異。當(dāng)MOSFET等元件越做越小，這些變異所占的比例就可能大幅提升，進(jìn)而影響電路設(shè)計(jì)者所預(yù)期的效能，這樣的變異讓電路設(shè)計(jì)者的工作變得更為困難。

　　MOSFET的柵極材料

　　理論上MOSFET的柵極應(yīng)該盡可能選擇電性良好的導(dǎo)體，多晶硅在經(jīng)過重（讀作zhong）摻雜之后的導(dǎo)電性可以用在MOSFET的柵極上，但是并非完美的選擇。MOSFET使用多晶硅作為的理由如下：

　?、?MOSFET的臨界電壓（threshold voltage）主要由柵極與通道材料的功函數(shù)（work function）之間的差異來決定，而因?yàn)槎嗑Ч璞举|(zhì)上是半導(dǎo)體，所以可以藉由摻雜不同極性的雜質(zhì)來改變其功函數(shù)。更重要的是，因?yàn)槎嗑Ч韬偷紫伦鳛橥ǖ赖墓柚g能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的臨界電壓時(shí)可以藉由直接調(diào)整多晶硅的功函數(shù)來達(dá)成需求。反過來說，金屬材料的功函數(shù)并不像半導(dǎo)體那么易于改變，如此一來要降低MOSFET的臨界電壓就變得比較困難。而且如果想要同時(shí)降低PMOS和NMOS的臨界電壓，將需要兩種不同的金屬分別做其柵極材料，對(duì)于制程又是一個(gè)很大的變量。

　?、?硅—二氧化硅接面經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)證實(shí)這兩種材料之間的缺陷（defect）是相對(duì)而言比較少的。反之，金屬—絕緣體接面的缺陷多，容易在兩者之間形成很多表面能階，大為影響元件的特性。

　?、?多晶硅的融點(diǎn)比大多數(shù)的金屬高，而在現(xiàn)代的半導(dǎo)體制程中習(xí)慣在高溫下沉積柵極材料以增進(jìn)元件效能。金屬的融點(diǎn)低，將會(huì)影響制程所能使用的溫度上限。

　　不過多晶硅雖然在過去二十年是制造MOSFET柵極的標(biāo)準(zhǔn)，但也有若干缺點(diǎn)使得未來仍然有部份MOSFET可能使用金屬柵極，這些缺點(diǎn)如下：

　?、?多晶硅導(dǎo)電性不如金屬，限制了信號(hào)傳遞的速度。雖然可以利用摻雜的方式改善其導(dǎo)電性，但成效仍然有限。有些融點(diǎn)比較高的金屬材料如：鎢（Tungsten）、鈦（Titanium）、鈷（Cobalt）或是鎳（Nickel）被用來和多晶硅制成合金。這類混合材料通常稱為金屬硅化物（silicide）。加上了金屬硅化物的多晶硅柵極有著比較好的導(dǎo)電特性，而且又能夠耐受高溫制程。此外因?yàn)榻饘俟杌锏奈恢檬窃跂艠O表面，離通道區(qū)較遠(yuǎn)，所以也不會(huì)對(duì)MOSFET的臨界電壓造成太大影響。

　　在柵極、源極與漏極都鍍上金屬硅化物的制程稱為“自我對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物制程”（Self-Aligned Silicide），通常簡(jiǎn)稱salicide制程。

　?、?當(dāng)MOSFET的尺寸縮的非常小、柵極氧化層也變得非常薄時(shí)，例如編輯此文時(shí)最新制程可以把氧化層縮到一納米左右的厚度，一種過去沒有發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象也隨之產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為“多晶硅耗盡”。當(dāng)MOSFET的反轉(zhuǎn)層形成時(shí)，有多晶硅耗盡現(xiàn)象的MOSFET柵極多晶硅靠近氧化層處，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)耗盡層（depletion layer），影響MOSFET導(dǎo)通的特性。要解決這種問題，金屬柵極是最好的方案?？尚械牟牧习ㄣg（Tantalum）、鎢、氮化鉭（Tantalum Nitride），或是氮化鈦（Titalium Nitride）。這些金屬柵極通常和高介電常數(shù)物質(zhì)形成的氧化層一起構(gòu)成MOS電容。另外一種解決方案是將多晶硅完全的合金化，稱為FUSI（FUlly-SIlicide polysilicon gate）制程。

　　各種常見的MOSFET技術(shù)

　　雙柵極MOSFET

　　雙柵極（dual-gate）MOSFET通常用在射頻（Radio Frequency,RF）集成電路中，這種MOSFET的兩個(gè)柵極都可以控制電流大小。在射頻電路的應(yīng)用上，雙柵極MOSFET的第二個(gè)柵極大多數(shù)用來做增益、混頻器或是頻率轉(zhuǎn)換的控制。

　　耗盡型MOSFET

　　一般而言，耗盡型（depletion mode）MOSFET比前述的增強(qiáng)型（enhancement mode）MOSFET少見。耗盡型MOSFET在制造過程中改變摻雜到通道的雜質(zhì)濃度，使得這種MOSFET的柵極就算沒有加電壓，通道仍然存在。如果想要關(guān)閉通道，則必須在柵極施加負(fù)電壓。耗盡型MOSFET最大的應(yīng)用是在“常關(guān)型”（normally-off）的開關(guān)，而相對(duì)的，加強(qiáng)式MOSFET則用在“常開型”（normally-on）的開關(guān)上。

　　NMOS邏輯

　　同樣驅(qū)動(dòng)能力的NMOS通常比PMOS所占用的面積小，因此如果只在邏輯門的設(shè)計(jì)上使用NMOS的話也能縮小芯片面積。不過NMOS邏輯雖然占的面積小，卻無法像CMOS邏輯一樣做到不消耗靜態(tài)功率，因此在1980年代中期后已經(jīng)漸漸退出市場(chǎng)。

　　功率MOSFET

　　功率晶體管單元的截面圖。通常一個(gè)市售的功率晶體管都包含了數(shù)千個(gè)這樣的單元。主條目：功率晶體管

　　功率MOSFET和前述的MOSFET元件在結(jié)構(gòu)上就有著顯著的差異。一般集成電路里的MOSFET都是平面式（planar）的結(jié)構(gòu)，晶體管內(nèi)的各端點(diǎn)都離芯片表面只有幾個(gè)微米的距離。而所有的功率元件都是垂直式（vertical）的結(jié)構(gòu)，讓元件可以同時(shí)承受高電壓與高電流的工作環(huán)境。一個(gè)功率MOSFET能耐受的電壓是雜質(zhì)摻雜濃度與N型磊晶層（epitaxial layer）厚度的函數(shù)，而能通過的電流則和元件的通道寬度有關(guān)，通道越寬則能容納越多電流。對(duì)于一個(gè)平面結(jié)構(gòu)的MOSFET而言，能承受的電流以及崩潰電壓的多寡都和其通道的長(zhǎng)寬大小有關(guān)。對(duì)垂直結(jié)構(gòu)的MOSFET來說，元件的面積和其能容納的電流成大約成正比，磊晶層厚度則和其崩潰電壓成正比。

　　功率MOSFET的工作原理

　　截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

　　導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面

　　當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。

　　值得一提的是采用平面式結(jié)構(gòu)的功率MOSFET也并非不存在，這類元件主要用在高級(jí)的音響放大器中。平面式的功率MOSFET在飽和區(qū)的特性比垂直結(jié)構(gòu)的MOSFET更好。垂直式功率MOSFET則取其導(dǎo)通電阻（turn-on resistance）非常小的優(yōu)點(diǎn)，多半用來做開關(guān)切換之用。

　　DMOS

　　DMOS是雙重?cái)U(kuò)散MOSFET（double-Diffused MOSFET）的縮寫，它主要用于高壓，屬于高壓MOS管范疇。

　　以MOSFET實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)

　　MOSFET在導(dǎo)通時(shí)的通道電阻低，而截止時(shí)的電阻近乎無限大，所以適合作為模擬信號(hào)的開關(guān)（信號(hào)的能量不會(huì)因?yàn)殚_關(guān)的電阻而損失太多）。MOSFET作為開關(guān)時(shí)，其源極與漏極的分別和其他的應(yīng)用是不太相同的，因?yàn)樾盘?hào)可以從MOSFET柵極以外的任一端進(jìn)出。對(duì)NMOS開關(guān)而言，電壓最負(fù)的一端就是源極，PMOS則正好相反，電壓最正的一端是源極。MOSFET開關(guān)能傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)受到其柵極—源極、柵極—漏極，以及漏極到源極的電壓限制，如果超過了電壓的上限可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET燒毀。

　　MOSFET開關(guān)的應(yīng)用范圍很廣，舉凡需要用到取樣持有電路（sample-and-hold circuits）或是截波電路（chopper circuits）的設(shè)計(jì)，例如類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（A/D converter）或是切換電容濾波器（switch-capacitor filter）上都可以見到MOSFET開關(guān)的蹤影。

　　單一MOSFET開關(guān)

　　當(dāng)NMOS用來做開關(guān)時(shí)，其基極接地，柵極為控制開關(guān)的端點(diǎn)。當(dāng)柵極電壓減去源極電壓超過其導(dǎo)通的臨界電壓時(shí)，此開關(guān)的狀態(tài)為導(dǎo)通。柵極電壓繼續(xù)升高，則NMOS能通過的電流就更大。NMOS做開關(guān)時(shí)操作在線性區(qū)，因?yàn)樵礃O與漏極的電壓在開關(guān)為導(dǎo)通時(shí)會(huì)趨向一致。

　　PMOS做開關(guān)時(shí)，其基極接至電路里電位最高的地方，通常是電源。柵極的電壓比源極低、超過其臨界電壓時(shí)，PMOS開關(guān)會(huì)打開。

　　NMOS開關(guān)能容許通過的電壓上限為（Vgate-Vthn），而PMOS開關(guān)則為（Vgate+Vthp），這個(gè)值通常不是信號(hào)原本的電壓振幅，也就是說單一MOSFET開關(guān)會(huì)有讓信號(hào)振幅變小、信號(hào)失真的缺點(diǎn)。

　　雙重MOSFET（CMOS）開關(guān)

　　為了改善前述單一MOSFET開關(guān)造成信號(hào)失真的缺點(diǎn)，于是使用一個(gè)PMOS加上一個(gè)NMOS的CMOS開關(guān)成為目前最普遍的做法。CMOS開關(guān)將PMOS與NMOS的源極與漏極分別連接在一起，而基極的接法則和NMOS與PMOS的傳統(tǒng)接法相同。當(dāng)輸入電壓在（VDD-Vthn）和（VSS+Vthp）時(shí)，PMOS與NMOS都導(dǎo)通，而輸入小于（VSS+Vthp）時(shí)，只有NMOS導(dǎo)通，輸入大于（VDD-Vthn）時(shí)只有PMOS導(dǎo)通。這樣做的好處是在大部分的輸入電壓下，PMOS與NMOS皆同時(shí)導(dǎo)通，如果任一邊的導(dǎo)通電阻上升，則另一邊的導(dǎo)通電阻就會(huì)下降，所以開關(guān)的電阻幾乎可以保持定值，減少信號(hào)失真。

　　6對(duì)比

　　Power MOSFET全稱功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它的三個(gè)極分別是源極（S）、漏極（D）和柵極（G）。主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR（功率晶管）相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C）、發(fā)射極（E）和柵極(G）。特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。