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金屬-氧化物-半導體場效電晶體(MOSFET)

Hightech   2016-09-14    20160914009
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❐ 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的構造
金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)」簡稱「MOS」,依照不同的導電特性又可以分為NMOS、PMOS二種:
➤N型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOS:N-type MOS):NMOS的構造如<圖一(a)>所示,在P型矽基板的左右各製作一個N型的區域(類似水溝的構造),並且在上方蒸鍍金屬電極;另外在矽基板的中央上方製作一層氧化矽,上方再蒸鍍一層金屬電極(目前大多使用多晶矽取代)。中央的金屬稱為「閘極(Gate)」,左邊的金屬稱為「源極(Source)」,右邊的金屬稱為「汲極(Drain)」。
➤P型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOS:P-type MOS):PMOS的構造如<圖一(b)>所示,與NMOS相同,但是N型與P型區域相反,因此導電特性相反。

 

圖一 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的構造示意圖。

 

❐ 互補型金屬氧化物半導體場效電晶體(Complementary MOS:CMOS)
互補型金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)」簡稱「CMOS」,CMOS的構造如<圖二>所示,由一個NMOS與一個PMOS組合起來形成一個CMOS,是目前最常使用的一種主動元件,包括:處理器、記憶體、放大器、射頻積體電路(RF IC),甚至影像感測器都可以使用這種元件。

 

由上面的描述可以得知,MOS說穿了就是開關,也就是可以控制0與1的元件,我們利用這種元件來製作可以處理數位訊號(0與1)的積體電路(IC),但是目前市面上幾乎所有的積體電路(IC)都是使用CMOS來製作,而不是使用NMOS或PMOS。由<圖二>可以看出CMOS是由一個NMOS與一個PMOS組合而成,雖然功能與單獨一個NMOS相同,但是CMOS的體積是單獨一個NMOS的兩倍,製作成本較高,為什麼積體電路(IC)會使用成本較高的CMOS來製作呢?

 

因為CMOS只有在處理數位訊號由0變1或由1變0時才會消秏電能(動態功率耗損),如果一直保持0或一直保持1時並不會消秏電能(靜態功率耗損),因此比單獨一個NMOS或PMOS還要省電,符合目前所有電子產品省電的要求,所以目前幾乎所有的積體電路(IC)實際上都是使用CMOS來製作,換句話說,目前的積體電路是:犧牲大小,成全省電。知識力www.ansforce.com。

 

圖二 互補型金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOS)的構造示意圖。

 

❐ 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的尺寸
由<圖二>可以看出,MOS的閘極長度大約10nm(奈米),所以NMOS與PMOS的尺寸大約50nm,CMOS的尺寸大約100nm。其中閘極長度是所有構造中最細小也最難製作的,因此我們會以「閘極長度(Gate length)」來代表半導體製程的進步程度,這就是所謂的「製程線寬」。
➤數位積體電路:可以進行運算儲存,例如:處理器(CPU)、記憶體(RAM或ROM)等,製程線寬很小,只需要承受很小的電壓或電流,目前可以做到10nm(奈米)以下,從早期的90nm、65nm、45nm、22nm、14nm、10nm、7nm,台積電預計2019年開發5nm、2020年開發3nm,大概是目前的製程極限,製程線寬愈小,代表整個CMOS的尺寸愈小。知識力www.ansforce.com。
➤類比積體電路:可以進行訊號放大,例如:功率放大器(PA:Power Amplifier)、音訊放大器(Audio amplifier),製程線寬較大,可以承受較大的電壓或電流,目前大約1μm(微米);也可以進行電源轉換,例如:離散功率元件,製程線寬更大,才能承受更大的電壓或電流,甚至改變元件結構,例如使用絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT),或改變元件材料,例如使用第三代半導體碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN),就是因為功率元件必須承受更大的功率(電壓或電流)。

 

【備註】製程線寬其實就是「閘極長度(Gate length)」,只是圖一看起來10奈米的閘極長度反而比較短,因此有人習慣把它叫做「製程線寬」。

 

❐ MOS開關(MOS switch)

NMOS開關的工作原理如<圖三>所示,將電子由左邊的源極(N型水溝)注入,經過中央的閘極下方的「電子通道(Electron channel)」,再由右邊的汲極(N型水溝)流出,是否要讓電子通過,則由閘極「不加電壓(關)」或「施加電壓(開)」來控制:
➤閘極不加電壓:電子由左邊的源極(N型水溝)注入以後,由於閘極下方為P型不導電子,故電子無法通過,形成斷路,代表0,如<圖三(a)>所示。
➤閘極施加電壓:電子由左邊的源極(N型水溝)注入以後,由於閘極施加正電壓吸引下方P型矽晶圓中的少量電子浮到表面,形成「電子通道(Electron channel)」,電子沿著通道繼續前進,形成通路,代表1,如<圖三(b)>所示。

 

利用閘極快速地「不加電壓(關)」或「施加電壓(開)」,來控制電子的「不導通」或「導通」,進行0與1的快速運算。一個積體電路(IC)含有許多的MOS,就可以進行一大堆0與1的運算,這就是個人電腦與「數位積體電路」工作的基本原理,除了NMOS以外,PMOS或CMOS都可以做為開關來使用,在此不再詳細討論。
 

 

圖三 NMOS開關的工作原理。

 

❐ MOS放大器(MOS amplifier)

使用NMOS除了可以做為開關,也可以做為放大器,其工作原理如<圖四(a)>所示,假設以閘極(Gate)做為共用端,將「較小的電壓或電流(小訊號)」輸入源極(Source),由於NMOS的元件特性會使訊號放大,轉變成「較大的電壓或電流(大訊號)」由汲極(Drain)輸出,這就是「類比積體電路」工作的基本原理,除了NMOS以外,PMOS的工作原理如<圖四(b)>所示,以及CMOS都可以做為放大器來使用,在此不再詳細討論。

 

圖四 NMOS放大器的工作原理。

 

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業,全華圖書公司」。<我要買書