从名字表面的角度来看MOSFET的命名,事实上会让人得到错误的印象。因为MOSFET里代表“metal”的di一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期MOSFET的栅极(gate electrode)使用金属作为其材料,但随著半导体技术的进步,随后MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属。在处理器中,多晶硅栅已经不是主流技术,从英特尔采用45纳米线宽的P1266处理器开始,栅极开始重新使用金属。
MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET),而IGFET的栅极绝缘层有可能是其他物质而非MOSFET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元件时比较喜欢用IGFET,但是这些IGFET多半指的是MOSFET。
MOSFET里的氧化层位于其通道上方,依照其操作电压的不同,这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃(Å)不等,通常材料是二氧化硅(silicon dioxide,SiO2),不过有些新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride,SiON)做为氧化层之用。
今日半导体元件的材料通常以硅(silicon)为shou选,但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程,当中zuizhu名的例如IBM使用硅与锗(germanium)的混合物所发展的硅锗制程(silicon-germanium process,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(gallium arsenide,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MOSFET元件。
当一个够大的电位差施于MOSFET的栅极与源极(source)之间时,电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷,而这时所谓的“反型层”(inversion channel)就会形成。通道的极性与其漏极(drain)与源极相同,假设漏极和源极是N型,那么通道也会是N型。通道形成后,MOSFET即可让电流通过,而依据施于栅极的电压值不同,可由MOSFET的通道流过的电流大小亦会受其控制而改变。
电路符号
常用于MOSFET的电路符号有很多种变化,zui常见的设计是以一条直线代表通道,两条和通道垂直的线代表源极与漏极,左方和通道平行而且较短的线代表栅极,如下图所示。有时也会将代表通道的直线以破折线代替,以区分增强型MOSFET(enhancement mode MOSFET)或是耗尽型MOSFET(depletion mode MOSFET)另外又分为NMOSFET和PMOSFET两种类型,电路符号如图所示(箭头的方向不同)。
由于集成电路芯片上的MOSFET为四端元件,所以除了栅极、源极、漏极外,尚有一基极(Bulk或是Body)。MOSFET电路符号中,从通道往右延伸的箭号方向则可表示此元件为N型或是P型的MOSFET。箭头方向永远从P端指向N端,所以箭头从通道指向基极端的为P型的MOSFET,或简称PMOS(代表此元件的通道为P型);反之若箭头从基极指向通道,则代表基极为P型,而通道为N型,此元件为N型的MOSFET,简称NMOS。在一般分布式MOSFET元件(discrete device)中,通常把基极和源极接在一起,故分布式MOSFET通常为三端元件。而在集成电路中的MOSFET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(这是国外符号,国标符号见图)。
这样,MOSFET就有了4钟类型:P沟道增强型,P沟道耗尽型,N沟道增强型,N沟道耗尽型,它们的电路符号和应用特性曲线如下图所示。
操作原理
MOSFET的he心:金属—氧化层—半导体电容
金属—氧化层—半导体结构MOSFET在结构上以一个金属—氧化层—半导体的电容为he心(如前所述,今日的MOSFET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。这样子的结构正好等于一个电容器(capacitor),氧化层扮演电容器中介电质(dielectric material)的角色,而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数(dielectric constant)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著改变。考虑一个P型的半导体(空穴浓度为NA)形成的MOS电容,当一个正的电压VGB施加在栅极与基极端(如图)时,空穴的浓度会减少,电子的浓度会增加。当VGB够强时,接近栅极端的电子浓度会超过空穴。这个在P型半导体中,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MOSFET的操作特性,但是一个完整的MOSFET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。
结构
一个NMOS晶体管的立体截面图左图是一个N型 MOSFET(以下简称NMOS)的截面图。如前所述,MOSFET的he心是位于中央的MOS电容,而左右两侧则是它的源极与漏极。源极与漏极的特性必须同为N型(即NMOS)或是同为P型(即PMOS)。右图NMOS的源极与漏极上标示的“N%2B”代表著两个意义:⑴N代表掺杂(doped)在源极与漏极区域的杂质极性为N;⑵“%2B”代表这个区域为高掺杂浓度区域(heavily doped region),也就是此区的电子浓度远高于其他区域。在源极与漏极之间被一个极性相反的区域隔开,也就是所谓的基极(或称基体)区域。如果是NMOS,那么其基体区的掺杂就是P型。反之对PMOS而言,基体应该是N型,而源极与漏极则为P型(而且是重(读作zhong)掺杂的P%2B)。基体的掺杂浓度不需要如源极或漏极那么高,故在右图中没有“%2B”。
对这个NMOS而言,真正用来作为通道、让载流子通过的只有MOS电容正下方半导体的表面区域。当一个正电压施加在栅极上,带负电的电子就会被吸引至表面,形成通道,让N型半导体的多数载流子—电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除,或是放上一个负电压,那么通道就无法形成,载流子也无法在源极与漏极之间流动。
假设操作的对象换成PMOS,那么源极与漏极为P型、基体则是N型。在PMOS的栅极上施加负电压,则半导体上的空穴会被吸引到表面形成通道,半导体的多数载流子—空穴则可以从源极流向漏极。假设这个负电压被移除,或是加上正电压,那么通道无法形成,一样无法让载流子在源极和漏极间流动。
特别要说明的是,源极在MOSFET里的意思是“提供多数载流子的来源”。对NMOS而言,多数载流子是电子;对PMOS而言,多数载流子是空穴。相对的,漏极就是接受多数载流子的端点。