金属氧化物半导体场效应电晶体( 二 ) _生活百科

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金属—氧化层—半导体结构

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场效应管在不同栅极厚度下的C-V特性曲线。左侧为积累，中间为耗尽，右侧为反型（反转）金氧半场效电晶体在结构上以一个金属—氧化物层—半导体的电容为核心（现在的金氧半场效电晶体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係数来决定。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。累积考虑一个p型的半导体（空穴浓度为NA）形成的MOS电容，当给电容器加负电压时，电荷增加（如C-V曲线左侧所示）。耗尽相反，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（称为耗尽，如C-V曲线中间所示），电子的浓度会增加。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），如C-V曲线右侧所示。MOS电容的特性决定了金氧半场效电晶体的工作特性，但是一个完整的金氧半场效电晶体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。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与pmosFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会让人得到错误的印象。因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M，在当下大部分同类的组件里是不存在的。早期MOSFET的栅极（gate electrode）使用金属作为其材料，但随着半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。套用优势金氧半场效电晶体在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电晶体截然不同，且因为製造成本低廉与使用面积较小、高集成度的优势，在大规模积体电路或是超大规模积体电路的领域里，重要性远超过BJT 。近年来由于金氧半场效电晶体组件的性能逐渐提升，除了传统上套用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多模拟信号处理的积体电路可以用金氧半场效电晶体来实现，以下分别介绍这些套用。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电晶体更多的动力，这也使得金氧半场效电晶体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。金氧半场效电晶体在数位讯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电晶体（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，也降低了积体电路的发热量。金氧半场效电晶体在数字电路上套用的另外一大优势是对直流信号而言，金氧半场效电晶体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电晶体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。这让金氧半场效电晶体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，除了负责驱动晶片外负载（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电晶体的栅极，如此一来较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。金氧半场效电晶体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，例如较不需考虑逻辑门输出端的负载效应（loading effect）。模拟电路有一段时间，金氧半场效电晶体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，如电晶体的跨导或是电流的驱动力上，金氧半场效电晶体不如BJT来得适合模拟电路的需求。但是随着金氧半场效电晶体技术的不断演进，今日的CMOS技术也已经可以匹配很多模拟电路的规格需求。再加上金氧半场效电晶体因为结构的关係，没有BJT的一些致命缺点，如热破坏（thermal runaway）。另外，金氧半场效电晶体线上性区的压控电阻特性亦可在积体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，金氧半场效电晶体除了扮演原本电晶体的角色外，也可以用来作为模拟电路中大量使用的被动组件（passive device）。这样的优点让採用金氧半场效电晶体实现模拟电路不但可以满足规格上的需求，还可以有效缩小晶片的面积，降低生产成本。随着半导体製造技术的进步，对于集成更多功能至单一晶片的需求也跟着大幅提升，此时用金氧半场效电晶体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积体电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积，很多原本独立的模拟晶片与数字晶片被集成至同一个晶片内。金氧半场效电晶体原本在数字积体电路上就有很大的竞争优势，在模拟积体电路上也大量採用金氧半场效电晶体之后，把这两种不同功能的电路集成起来的困难度也显着的下降。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电晶体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电晶体与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积体电路产品会使用BiCMOS技术来製作。尺寸缩放过去数十年来，金氧半场效电晶体的尺寸不断地变小。早期的积体电路金氧半场效电晶体工艺里，沟道长度约在几个微米的档次。但是到了今日的积体电路工艺，这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。2008年初，Intel开始以45奈米的技术来製造新一代的微处理器，实际的组件沟道长度可能比这个数字还小一些。至90年代末，金氧半场效电晶体尺寸不断缩小，让积体电路的性能大大提升，而从历史的角度来看，这些技术上的突破和半导体工艺的进步有着密不可分的关係。尺寸缩小MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效应电晶体”（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应电晶体组件时比较喜欢用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（?）不等，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide, SiO2），不过有些新的高级製程已经可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做为氧化层之用。今日半导体组件的材料通常以硅（silicon）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製程，当中最着名的例如IBM使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗製程（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（galliumarsenide, GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来製造MOSFET组件。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“反转通道”（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-type，那幺通道也会是n-type 。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。负面效应虽然金氧半场效电晶体尺寸缩小可以带来很多好处，但同时也有很多负面效应伴随而来。金氧半场效电晶体的尺寸缩小后出现的困难