金属氧化物半导体场效应晶体管

**金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）**是一种晶体管，施加在绝缘栅极上的电压控制着源极与漏极之间半导体沟道中的电流。栅极产生的电场会改变可移动载流子的浓度，而不需要显著的稳态栅极电流。MOSFET可用作开关和放大器，既可作为独立元件，也可用于集成电路。由它们构成的互补结构，即互补金属氧化物半导体（CMOS），是许多数字电子电路的基础。(infineon.com)

结构与工作原理

传统的体硅MOSFET有四个端子：栅极、源极、漏极和体端，体端也称衬底端。栅极与半导体之间由一层薄电介质隔开。在基本的平面型n沟道器件中，重掺杂的n型源区和漏区位于p型体区内。这些区域的电学性质通过半导体掺杂来确定。栅极位于连接源区和漏区的区域上方。(ocw.mit.edu)

足够高的正栅极电压会将电子吸引到半导体表面附近，同时排斥空穴。当栅极电压超过阈值电压时，表面会形成反型层：其中占主导地位的可移动载流子与下方体区中的不同。这条导电沟道连接源极与漏极。此时，漏源电压驱动载流子沿沟道运动，而栅极电压控制沟道内的载流子浓度。p沟道器件以空穴导电，工作电压的极性相反。(ocw.mit.edu)

理想情况下，栅极不吸取直流电流，但每当栅极电压变化时，其电容都必须充电或放电。因此，开关过程需要瞬态栅极电流。体端电压也会影响沟道的形成：在传统体硅器件中，改变源极与体端之间的偏置会使阈值电压发生变化，这种现象称为体效应。(infineon.com)

器件类型与工作区

MOSFET可分为n沟道和p沟道，也可分为增强型和耗尽型。增强型器件在栅源电压为零时通常处于关断状态；施加适当的栅极偏置后才会形成导电沟道。耗尽型器件在栅极偏置为零时就已导通，而施加相反极性的偏置会抑制导电。(infineon.com)

对于理想的长沟道增强型n沟道MOSFET，以 $V_{GS}$ 表示栅源电压， $V_{DS}$ 表示漏源电压， $V_T$ 表示阈值电压。通常将其工作状态分为三个区域：

截止区： $V_{GS}<V_T$ ；在最简单的模型中，电流可忽略不计。
三极管区或线性区： $V_{GS}>V_T$ ，且 $0\leq V_{DS}<V_{GS}-V_T$ 。沟道贯通源极与漏极，当 $V_{DS}$ 较小时，器件的行为近似于一个压控电阻。
饱和区： $V_{GS}>V_T$ ，且 $V_{DS}\geq V_{GS}-V_T$ 。沟道在漏极附近发生夹断，电流主要取决于栅极过驱动电压，而非漏极电压。夹断并不意味着电流停止。(ocw.mit.edu)

在理想的饱和区模型中，

I_D=\frac{1}{2}\mu_n C_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_T)^2,

其中， $\mu_n$ 为电子迁移率， $C_{\mathrm{ox}}$ 为单位面积的栅氧化层电容， $W/L$ 为沟道宽长比。这个平方律表达式只是一种近似，并不能普遍描述所有MOSFET的行为。(ocw.mit.edu)

MOSFET的饱和区适合用于放大，不应将其与双极型晶体管的低压饱和状态混淆。低损耗MOSFET开关在导通时，通常工作在线性区的低电阻部分。(ocw.mit.edu)

电路应用与功率器件

CMOS电路将n沟道和p沟道MOSFET组合使用。在基本的静态逻辑门中，互补网络将输出连接到一条电源轨，同时阻断通向另一条电源轨的稳态导电通路。这使电路具有较低的静态功耗，不过漏电和开关过程仍会消耗能量。CMOS用于处理器、存储器以及数模混合电路。MOSFET也通过受控导电实现模拟信号放大。(infineon.com)

功率MOSFET经过专门优化，可用于开关更大的电流并承受更高的关断电压。许多此类器件采用垂直电流路径，并在内部将体端与源极相连，因此只留下三个外部端子。这种结构包含一个由PN结形成的固有体二极管，它可以不受栅极控制而传导反向电流。其反向恢复特性会影响开关损耗和瞬态过程。(infineon.com)

功率器件的重要参数包括导通电阻 $R_{DS(on)}$ 、击穿电压、栅极电荷、热阻以及安全工作区。导通损耗近似为 $I_D^2R_{DS(on)}$ ，而栅极充电以及切换过程中电压与电流的交叠还会造成额外损耗。阈值电压表示器件在规定测试条件下开始导电时的电压，并不一定是实现低电阻导通所需的栅极电压。(infineon.com)

历史发展与尺寸缩小

穆罕默德·阿塔拉和姜大元于1959年在贝尔实验室成功制成绝缘栅场效应晶体管，并于1960年演示了MOS器件的工作。热生长二氧化硅减少了造成干扰的半导体表面态，使栅极电场能够有效控制表面导电。(computerhistory.org)

这一沿用至今的名称，并不意味着后来的每一种器件都必须保留最初的材料。掺杂多晶硅栅极曾得到广泛应用，而后先进工艺又引入了金属栅极和高介电常数电介质。这类电介质允许绝缘层在物理厚度上更厚，同时仍能保持较强的栅极耦合，从而减少由量子隧穿引起的漏电。(intel.com)

尺寸缩小也改变了沟道的几何形状。鳍式场效应晶体管采用凸起的鳍状沟道，栅极可从多个侧面控制沟道。全环绕栅晶体管的栅极包围着堆叠纳米片等形式的沟道，从而在小尺寸下增强静电控制能力。IBM研究人员于2017年展示了堆叠纳米片全环绕栅器件，其中实现了金属栅极集成和多种阈值电压。这些架构将绝缘栅工作原理拓展到了最初的平面结构之外。(research.ibm.com)