什么是 MOSFET

电子

`一种电压驱动的场效应晶体管，以氧化物绝缘的金属或多晶为栅极，是单极晶体管，其工作依靠一种多数载流子(N型为电子，P型为空穴)的运动，而不是像双极结型场效应管(JFET)那样靠两种载流子同时运动。MOSFET的控制栅压作用于横跨绝缘层的沟道区，而不像结型场效应管那样横跨PN结。栅极用二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)来绝缘。MOSFET可以是P沟道也可以是N沟道，其工作可以是耗尽型或者增强型。MOSFET包括在CMOS和BiCMOS数字逻辑电路中，因为有源极和漏极之间的绝缘，所以MOSFET功耗低。另外MOSFET比JFET加工过程简单，硅的利用更经济，与基片更容易互连，也称为绝缘栅场效应晶体管(IGFET)。
MOSFET是Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor的英文缩写，平面型器件结构，按照导电沟道的不同可以分为NMOS和PMOS器件。MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子（多数载流子）器件。用跨导描述其放大能力。
NMOS和PMOS在结构上完全相像，所不同的是衬底和源漏的掺杂类型。简单地说，NMOS是在P型硅的衬底上，通过选择掺杂形成N型的掺杂区，作为NMOS的源漏区；PMOS是在N型硅的衬底上，通过选择掺杂形成P型的掺杂区，作为PMOS的源漏区。如图所示，两块源漏掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。对于这种简单的结构，器件源漏是完全对称的，只有在应用中根据源漏电流的流向才能最后确认具体的源和漏。
MOSFET有什么优点？
MOSFET和双极性晶体管（BJT）相比，MOSFET是一种高输入阻抗、电压控制的器件；BJT则是一种低阻抗、电流控制的器件。在功率应用中采用MOSFET具有众多好处。
1、MOSFET的驱动电路比较简单。BJT可能需要多达20%的额定集电极电流以保证饱和度，而MOSFET需要的驱动电流则小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集电极开路TTL驱动电路驱动；
2、MOSFET的开关速度比较迅速，MOSFET是一种多数载流子器件，能够以较高的速度工作，因为没有电荷存储效应；
3、MOSFET没有二次击穿失效机理，它在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低，还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。
器件的栅电极是具有一定电阻率的多晶硅材料，这也是硅栅MOS器件的命名根据。在多晶硅栅与衬底之间是一层很薄的优质二氧化硅，它是绝缘介质，用于绝缘两个导电层：多晶硅栅和硅衬底，从结构上看，多晶硅栅-二氧化硅介质-掺杂硅衬底 (Poly-Si--SiO2--Si) 形成了一个典型的平板电容器，通过对栅电极施加一定极性的电荷，就必然地在硅衬底上感应等量的异种电荷。这样的平板电容器的电荷作用方式正是MOS器件工作的基础。
以SiO2为栅介质时，叫MOS器件，这是最常使用的器件形式。历史上也出现过以Al2O3为栅介质的MAS器件和以 Si3N4为栅介质的MNS 器件，以及以SiO2+Si3N4为栅介质的MNOS器件，统称为金属-绝缘栅-半导体器件--MIS 器件。
以Al为栅电极时，称铝栅器件。以重掺杂多晶硅(Poly-Si) 为栅电极时，称硅栅器件。它是当前MOS器件的主流器件。硅栅工艺是利用重掺杂的多晶硅来代替铝做为MOS管的栅电极，使MOS电路特性得到很大改善，它使VTP下降1.1V，也容易获得合适的VTN值并能提高开关速度和集成度。
硅栅工艺具有自对准作用，这是由于硅具有耐高温的性质。栅电极，更确切的说是在栅电极下面的介质层，是限定源、漏扩散区边界的扩散掩膜，使栅区与源、漏交迭的密勒电容大大减小，也使其它寄生电容减小，使器件的频率特性得到提高。另外，在源、漏扩散之前进行栅氧化，也意味着可得到浅结。
self aligned poly-silicon process 自对准多晶硅工艺
铝栅工艺为了保证栅金属与漏极铝引线之间有一定的间隔，要求漏扩散区面积要大些。而在硅栅工艺中覆盖源漏极的铝引线可重迭到栅区，这是因为有一绝缘层将栅区与源漏电极引线隔开，从而可使结面积减少30%~40%。
硅栅工艺还可提高集成度，这不仅是因为扩散自对准作用可使单元面积大为缩小，而且因为硅栅工艺可以使用“二层半布线”即一层铝布线，一层重掺杂多晶硅布线，一层重掺杂的扩散层布线。由于在制作扩散层时，多晶硅要起掩膜作用，所以扩散层不能与多晶硅层交叉，故称为两层半布线．铝栅工艺只有两层布线：一层铝布线，一层扩散层布线。硅栅工艺由于有两层半布线，既可使芯片面积比铝栅缩小50%又可增加布线灵活性。
当然，硅栅工艺较之铝栅工艺复杂得多，需增加多晶硅淀积、等离子刻蚀工序，而且由于表面层次多，台阶比较高，表面断铝，增加了光刻的困难，所以又发展了以Si3N4作掩膜的局部氧化LOCOS--Local oxidation on silicon (又称为 MOSIC 的局部氧化隔离工艺Local Oxidation Isolation for MOSIC) ，或称等平面硅栅工艺。
扩散条连线由于其电容较大，漏电流也较大，所以尽量少用，一般是将相应管子的源或漏区加以延伸而成。扩散条也用于短连线，注意扩散条不能跨越多晶硅层，有时把这层连线称为“半层布线”。因硼扩散薄层电阻为30～120Ω/□，比磷扩散的R□大得多，所以硼扩散连线引入的分布电阻更为可观，扩散连线的寄生电阻将影响输出电平是否合乎规范值，同时也因加大了充放电的串联电阻而使工作速度下降。因此，在CMOS电路中，当使用硼扩散条做连线用时要考虑到这一点。
当在NMOS的栅上施加相对于源的正电压VGS时，栅上的正电荷在P型衬底上感应出等量的负电荷，随着VGS的增加，衬底中接近硅-二氧化硅界面的表面处的负电荷也越多。其变化过程如下：当VGS比较小时，栅上的正电荷还不能使硅-二氧化硅界面处积累可运动的电子电荷，这是因为衬底是P型的半导体材料，其中的多数载流子是正电荷空穴，栅上的正电荷首先是驱赶表面的空穴，使表面正电荷耗尽，形成带固定负电荷的耗尽层。
这时，虽然有VDS的存在，但因为没有可运动的电子，所以，并没有明显的源漏电流出现。增加VGS，耗尽层向衬底下部延伸，并有少量的电子被吸引到表面，形成可运动的电子电荷，随着VGS的增加，表面积累的可运动电子数量越来越多。这时的衬底负电荷由两部分组成：表面的电子电荷与耗尽层中的固定负电荷。如果不考虑二氧化硅层中的电荷影响，这两部分负电荷的数量之和等于栅上的正电荷的数量。当电子积累达到一定水平时，表面处的半导体中的多数载流子变成了电子，即相对于原来的P型半导体，具有了N型半导体的导电性质，这种情况称为表面反型。
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