[科普中国]-横向扩散金属氧化物半导体

横向扩散金属氧化物半导体（英语：Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，缩写：LDMOS）经常被用于微波/射频电路，制造于高浓度掺杂硅基底的外延层上。

LDMOS常被用于制作基站的射频功率放大器，原因是它可以满足高输出功率、栅源击穿电压大于60伏的要求。与其他器件（如GaAs场效应管）相比，LDMOS功放极大值的频率相对较小。LDMOS技术的生产制造商包括台湾积体电路制造公司（TSMC）、格罗方德（GLOBALFOUNDRIES）、世界先进集成电路（VIS）、英飞凌、RFMD、飞思卡尔（Freescale）等。

历史这种晶体管的基本原理是Julius Edgar Lilienfeld于1925年首次获得专利。

1959年，贝尔实验室的Dawon Kahng和Martin M.（John）Atalla发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为专利FET设计的分支。在操作上和结构上不同于双极结型晶体管，MOSFET是通过在半导体表面上放置绝缘层然后在其上放置金属栅电极而制成的。 它使用晶体硅作为半导体，并使用热氧化的二氧化硅层作为绝缘体。 硅MOSFET在硅与其原生氧化物层之间的界面处不产生局部电子陷阱，因此本质上没有阻碍早期场效应晶体管性能的载流子的捕获和散射。

组成通常选择的半导体是硅，使用局部氧化方法（LOCOS）处理。最近，一些芯片制造商，尤其是IBM和英特尔，已经开始在MOSFET通道中使用硅和锗（SiGe）的化合物。不幸的是，许多具有比硅更好的电性能的半导体，例如砷化镓，不能形成良好的半导体 - 绝缘体界面，因此不适用于MOSFET。继续研究在其他半导体材料上制造具有可接受的电特性的绝缘体。

为了克服由于栅极电流泄漏引起的功耗增加，使用高κ电介质代替二氧化硅作为栅极绝缘体，而多晶硅被金属栅极取代（参见英特尔公告）。

栅极通过薄的绝缘层与沟道分离，绝缘层通常是二氧化硅，后来是氮氧化硅。一些公司已经开始在45纳米节点中引入高κ电介质和金属栅极组合。

当在栅极和体端子之间施加电压时，产生的电场穿透氧化物并在半导体 - 绝缘体界面处产生反型层或沟道。反型层提供通道，电流可以通过该通道在源极和漏极端子之间通过。改变栅极和主体之间的电压可调制该层的导电性，从而控制漏极和源极之间的电流。这称为增强模式。

应用诸如微处理器和存储器件之类的数字集成电路在每个器件上包含数千到数百万个集成MOSFET晶体管，提供实现逻辑门和数据存储所需的基本开关功能。分立器件广泛用于诸如开关模式电源，变频驱动器和其他电力电子应用的应用中，其中每个器件可以切换数千瓦。高达UHF频谱的射频放大器使用MOSFET晶体管作为模拟信号和功率放大器。无线电系统还使用MOSFET作为振荡器或混频器来转换频率。 MOSFET器件也应用于音频功率放大器，用于公共广播系统，扩声以及家庭和汽车音响系统。

MOS集成电路随着洁净室的发展将污染降低到前所未有的水平，并且光刻[31]和平面工艺允许在很少的步骤中制造电路，Si-SiO2系统具有低成本的技术吸引力。生产（基于每个电路）和易于集成。很大程度上由于这两个因素，MOSFET已成为集成电路中使用最广泛的晶体管类型。

通用微电子公司于1964年推出了第一款商用MOS集成电路。

此外，将两个互补MOSFET（P沟道和N沟道）耦合到一个高/低开关（称为CMOS）的方法意味着除了实际切换之外，数字电路消耗的功率非常小。

从1970年开始的最早的微处理器都是MOS微处理器;即，完全由PMOS逻辑制造或完全由NMOS逻辑制造。在20世纪70年代，MOS微处理器经常与CMOS微处理器和双极性位片处理器形成对比。

CMOS电路MOSFET用于数字互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑[34]，它使用p和n沟道MOSFET作为构建模块。过热是集成电路中的一个主要问题，因为越来越多的晶体管被封装到更小的芯片中。 CMOS逻辑降低了功耗，因为没有电流流动（理想情况下），因此不会消耗功率，除非切换逻辑门的输入。 CMOS通过用pMOSFET补充每个nMOSFET并将两个栅极和两个漏极连接在一起来实现这种电流降低。栅极上的高电压将导致nMOSFET导通并且pMOSFET不导通，并且栅极上的低电压导致反向。在电压从一种状态进入另一种状态的切换时间期间，两个MOSFET将短暂导通。这种布置大大降低了功耗和发热量。

数字像微处理器这样的数字技术的发展提供了比任何其他类型的硅基晶体管更快地推进MOSFET技术的动力。 MOSFET用于数字开关的一大优势是栅极和沟道之间的氧化层可防止DC电流流过栅极，从而进一步降低功耗并提供非常大的输入阻抗。栅极和沟道之间的绝缘氧化物有效地将MOSFET在一个逻辑级中与早期和后级相隔离，这允许单个MOSFET输出驱动相当数量的MOSFET输入。基于双极晶体管的逻辑（例如TTL）没有如此高的扇出容量。这种隔离还使设计人员更容易在某种程度上忽略逻辑级之间的负载效应。该程度由工作频率定义：随着频率的增加，MOSFET的输入阻抗降低。

类似物MOSFET在数字电路中的优势并未转化为所有模拟电路的优势。这两种类型的电路利用了晶体管行为的不同特征。数字电路开关，大部分时间都完全开启或完全关闭。从一个到另一个的过渡仅涉及所需的速度和电荷。模拟电路依赖于过渡区域中的操作，其中Vgs的微小变化可以调制输出（漏极）电流。 MOSFET和双极结型晶体管（BJT）优选用于精确匹配（集成电路中的相邻器件），更高的跨导和某些温度特性，这简化了随着电路温度变化保持性能的可预测性1。

然而，MOSFET由于其自身的优势而被广泛用于许多类型的模拟电路中（零栅极电流，高且可调节的输出阻抗以及相对于BJT的改善的鲁棒性，即使轻微地破坏发射极 - 基极也可能永久性地降低）。模糊]通过改变所用MOSFET的尺寸（长度和宽度），可以放大或缩小许多模拟电路的特性和性能。相比之下，在双极晶体管中，器件的尺寸不会显着影响其性能。MOSFET关于栅极电流（零）和漏源偏移电压（零）的理想特性也使它们成为近乎理想的开关元件，并且也使开关电容模拟电路实用。在它们的线性区域中，MOSFET可以用作精密电阻器，其可以具有比BJT高得多的控制电阻。在高功率电路中，MOSFET有时具有不像BJT那样遭受热失控的优点。此外，MOSFET可以配置为电容器和回转器电路，允许由它们制成的运算放大器作为电感器出现从而允许芯片上的所有普通模拟器件（除了二极管，无论如何都可以制造得比MOSFET小），完全由MOSFET构成。这意味着可以在更小的空间中使用更简单的制造技术在硅芯片上制造完整的模拟电路。由于对感应反冲的容忍度，MOSFET非常适合切换感性负载。

一些IC在单个混合信号集成电路上集成了模拟和数字MOSFET电路，使所需的电路板空间更小。这使得需要将模拟电路与芯片级的数字电路隔离，从而导致使用隔离环和绝缘体上硅（SOI）。由于MOSFET比BJT需要更多的空间来处理给定的功率，因此制造工艺可以将BJT和MOSFET集成到单个器件中。如果混合晶体管器件仅包含一个BJT-FET和BiCMOS（双极CMOS）（如果它们包含互补BJT-FET），则它们被称为双FET（双极FET）。这种器件具有绝缘栅极和更高电流密度的优点。

本词条内容贡献者为:

孔祥杰 - 副教授 - 大连理工大学软件学院