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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。

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【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＞