[科普中国]-绝缘栅型场效应管

**绝缘栅型场效应管（**IGFET，Insulated Gate Field Effect Transister）也称金属氧化物半导体场效应管（Metal Oxide Semiconductor FET，简写为MOSFET），通常说的MOS管就是指绝缘栅型场效应管。

简介绝缘栅型场效应管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其沟道极性的不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常被称为N型金氧半场效晶体管（NMOSFET）与P型金氧半场效晶体管（PMOSFET）。

早期金氧半场效晶体管栅极使用金属作为材料，但由于多晶硅在制造工艺中更耐高温等特点，许多金氧半场效晶体管栅极采用后者而非前者金属。然而，随着半导体特征尺寸的不断缩小，金属作为栅极材料最近又再次得到了研究人员的关注。

金氧半场效晶体管在概念上属于绝缘栅极场效晶体管（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET）。而绝缘栅极场效晶体管的栅极绝缘层，有可能是其他物质，而非金氧半场效晶体管使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管组件时比较喜欢用IGFET，但是这些IGFET多半指的是金氧半场效晶体管。

今日半导体组件的材料通常以硅为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的工艺，当中最著名的例如国际商业机器股份有限公司使用硅与锗的混合物所发展的硅锗工艺（SiGe process）。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造金氧半场效晶体管组件。

当一个够大的电位差施于金氧半场效晶体管的栅极与源极之间时，电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷，而这时就会形成反转沟道（inversion channel）。沟道的极性与其漏极（drain）与源极相同，假设漏极和源极是n型，那么沟道也会是n型。沟道形成后，金氧半场效晶体管即可让电流通过，而依据施于栅极的电压值不同，可由金氧半场效晶体管的沟道流过的电流大小亦会受其控制而改变。1

电路符号常用于金氧半场效晶体管的电路符号有多种形式，最常见的设计是以一条垂直线代表沟道（Channel），两条和沟道平行的接线代表源极（Source）与漏极（Drain），左方和沟道垂直的接线代表栅极（Gate），如图1所示。有时也会将代表沟道的直线以虚线代替，以区分增强型（enhancement mode，又称增强式）金氧半场效晶体管或是耗尽型（depletion mode，又称耗尽式）金氧半场效晶体管。

由于集成电路芯片上的金氧半场效晶体管为四端组件，所以除了源极（S）、漏极（D）、栅极（G）外，尚有一基极（Bulk或是Body）。金氧半场效晶体管电路符号中，如图1，从沟道往右延伸的箭号方向则可表示此组件为n型或是p型的金氧半场效晶体管。箭头方向永远从P端指向N端，所以箭头从基极端指向沟道的为p型的金氧半场效晶体管，或简称PMOS（代表此组件的沟道为p型）；反之则代表基极为p型，而沟道为n型，此组件为n型的金氧半场效晶体管，简称NMOS。在一般分布式金氧半场效晶体管组件中，通常把基极和源极接在一起，故分布式金氧半场效晶体管通常为三端组件。而在集成电路中的金氧半场效晶体管通常因为使用同一个基极（common bulk），所以不标示出基极的极性，而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。2

金氧半场效晶体管的工作原理金氧半场效晶体管的核心金氧半场效晶体管在结构上以一个金属—氧化物层—半导体的电容为核心（现在的金氧半场效晶体管多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料），氧化层的材料多半是二氧化硅，其下是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。这样的结构正好等于一个电容器，氧化层为电容器中介电质，而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电系数来决定。栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点。

当一个电压施加在MOS电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟着改变。

反型当VGB够强时，接近栅极端的电子浓度会超过空穴。这个在p-type半导体中，电子浓度（带负电荷）超过空穴（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反转层（inversion layer）。

MOS电容的特性决定了金氧半场效晶体管的工作特性，但是一个完整的金氧半场效晶体管结构还需要一个提供多数载流子（majority carrier）的源极以及接受这些多数载流子的漏极。2

金氧半场效晶体管在电子电路上应用的优势金氧半场效晶体管在1960年由贝尔实验室的D. Kahng和Martin Atalla首次实现成功，这种组件的工作原理和1947年萧克利等人发明的双载流子接面晶体管截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高集成度的优势，在大规模集成电路或是超大规模集成电路的领域里，重要性远超过BJT。

近年来由于金氧半场效晶体管组件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数字信号处理的场合上，也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用金氧半场效晶体管来实现，以下分别介绍这些应用。1

数字电路数字科技的进步，如微处理器运算性能不断提升，带给深入研发新一代金氧半场效晶体管更多的动力，这也使得金氧半场效晶体管本身的工作速度越来越快，几乎成为各种半导体有源组件中最快的一种。金氧半场效晶体管在数字信号处理上最主要的成功来自互补式金属氧化物半导体逻辑电路的发明，这种结构最大的好处是理论上不会有静态的功率损耗，只有在逻辑门的切换动作时才有电流通过。互补式金属氧化物半导体逻辑门最基本的成员是互补式金属氧化物半导体反相器，而所有互补式金属氧化物半导体逻辑门的基本工作都如同反相器一样，同一时间内必定只有一种晶体管（NMOS或是PMOS）处在导通的状态下，另一种必定是截止状态，这使得从电源端到接地端不会有直接导通的路径，大量节省了电流或功率的消耗，也降低了集成电路的发热量。

金氧半场效晶体管在数字电路上应用的另外一大优势是对直流信号而言，金氧半场效晶体管的栅极端阻抗为无限大（等效于开路），也就是理论上不会有电流从金氧半场效晶体管的栅极端流向电路里的接地点，而是完全由电压控制栅极的形式。这让金氧半场效晶体管和他们最主要的竞争对手BJT相较之下更为省电，而且也更易于驱动。在CMOS逻辑电路里，除了负责驱动芯片外负载（off-chip load）的驱动器外，每一级的逻辑门都只要面对同样是金氧半场效晶体管的栅极，如此一来就不需考虑逻辑门本身的驱动力。相较之下，BJT的逻辑电路（例如最常见的TTL）就没有这些优势。金氧半场效晶体管的栅极输入电阻无限大对于电路设计工程师而言亦有其他优点，例如就不需考虑逻辑门输出端的负载效应（loading effect）。2

模拟电路有一段时间，金氧半场效晶体管并非模拟电路设计工程师的首选，因为模拟电路设计重视的性能参数，如晶体管的跨导或是电流的驱动力上，金氧半场效晶体管不如BJT适合模拟电路的需求。但是随着金氧半场效晶体管技术的不断演进，今日的CMOS技术也已经可以匹配很多模拟电路的规格需求。再加上金氧半场效晶体管因为结构的关系，没有BJT的一些致命缺点，如热破坏（thermal runaway）。另外，金氧半场效晶体管在线性区的压控电阻特性亦可在集成电路里用来取代传统的多晶硅电阻（poly resistor），或是MOS电容本身可以用来取代常用的多晶硅—绝缘体—多晶硅电容（PIP capacitor），甚至在适当的电路控制下可以表现出电感（inductor）的特性，这些好处都是BJT很难提供的。也就是说，金氧半场效晶体管除了扮演原本晶体管的角色外，也可以用来作为模拟电路中大量使用的被动组件（passive device）。这样的优点让采用金氧半场效晶体管实现模拟电路不但可以满足规格上的需求，还可以有效缩小芯片的面积，降低生产成本。

随着半导体制造技术的进步，对于集成更多功能至单一芯片的需求也跟着大幅提升，此时用金氧半场效晶体管设计模拟电路的另外一个优点也随之浮现。为了减少在印刷电路板上使用的集成电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积，很多原本独立的模拟芯片与数字芯片被集成至同一个芯片内。金氧半场效晶体管原本在数字集成电路上就有很大的竞争优势，在模拟集成电路上也大量采用金氧半场效晶体管之后，把这两种不同功能的电路集成起来的困难度也显著的下降。另外像是某些混合信号电路（Mixed-signal circuits），如模拟数字转换器，也得以利用金氧半场效晶体管技术设计出性能更好的产品。

近年来还有一种集成金氧半场效晶体管与BJT各自优点的工艺技术：BiCMOS也越来越受欢迎。BJT组件在驱动大电流的能力上仍然比一般的CMOS优异，在可靠度方面也有一些优势，例如不容易被静电放电破坏。所以很多同时需要复噪声号处理以及强大电流驱动能力的集成电路产品会使用BiCMOS技术来制作。1

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学