金氧半场效晶体管的核心

金属—氧化层—半导体结构

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（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（capacitor），氧化层为电容器中介电质（dielectric material），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着改变。考虑一个p型的半导体（电洞浓度为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，电洞的浓度会减少，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电洞。这个在p-type半导体中，电子浓度（带负电荷）超过电洞（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操作特性，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。

金氧半场效晶体管的结构

如前所述，金氧半场效晶体管的核心是位于中央的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-type（即NMOS）或是同为p-type（即PMOS）。左图NMOS的源极与漏极上标示的“N ”代表着两个意义：(1)N代表掺杂（doped）在源极与漏极区域的杂质极性为N；（2）“ ”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-type。反之对PMOS而言，基体应该是n-type，而源极与漏极则为p-type（而且是重掺杂的P ）。基体的掺杂浓度不需要如源极或漏极那么高，故在左图中没有“ ”。

对这个NMOS而言，真正用来作为沟道、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，形成沟道，让n-type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，那么沟道就无法形成，载流子也无法在源极与漏极之间移动。

假设操作的对象换成PMOS，那么源极与漏极为p-type、基体则是n-type。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沟道，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，那么沟道无法形成，一样无法让载流子在源极和漏极间移动。

特别要说明的是，源极在金氧半场效晶体管里的意思是“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。

金氧半场效晶体管的操作模式

依照在金氧半场效晶体管的栅极、源极，与漏极等三个端点施加的“偏置”（bias）不同，一个常见的加强型（enhancement mode）n-type。 2100433B