導(dǎo)讀：MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管，MOSFET產(chǎn)品從發(fā)明至今，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)代產(chǎn)品，并大量應(yīng)用于電力電子、消費電子、汽車電子等領(lǐng)域。本文今天就為大家分享了關(guān)于MOSFET使用多晶硅的原由及其常見技術(shù)。

　　一、MOSFET使用多晶硅的原由

　　理論上MOSFET的柵極應(yīng)該盡可能選擇電性良好的導(dǎo)體，多晶硅在經(jīng)過重摻雜之后的導(dǎo)電性可以用在MOSFET的柵極上，但是并非完美的選擇。MOSFET使用多晶硅的理由如下：

　　1. MOSFET的臨界電壓（threshold voltage）主要由柵極與通道材料的功函數(shù)（work function）之間的差異來決定，而因為多晶硅本質(zhì)上是半導(dǎo)體，所以可以藉由摻雜不同極性的雜質(zhì)來改變其功函數(shù)。更重要的是，因為多晶硅和底下作為通道的硅之間能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的臨界電壓時可以藉由直接調(diào)整多晶硅的功函數(shù)來達成需求。反過來說，金屬材料的功函數(shù)并不像半導(dǎo)體那么易于改變，如此一來要降低MOSFET的臨界電壓就變得比較困難。而且如果想要同時降低PMOS和NMOS的臨界電壓，將需要兩種不同的金屬分別做其柵極材料，對于制程又是一個很大的變量。

　　2.硅-二氧化硅接面經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)證實這兩種材料之間的缺陷（defect）是相對而言比較少的。反之，金屬-絕緣體接面的缺陷多，容易在兩者之間形成很多表面能階，大為影響元件的特性。

　　3.多晶硅的融點比大多數(shù)的金屬高，而在現(xiàn)代的半導(dǎo)體制程中習(xí)慣在高溫下沉積柵極材料以增進元件效能。金屬的融點低，將會影響制程所能使用的溫度上限。

　　二、MOSFET的常見技術(shù)匯總

　　MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。它常見技術(shù)主要有：

　　1.雙柵極MOSFET

　　雙柵極（dual-gate）MOSFET通常用在射頻（Radio Frequency,RF）集成電路中，這種MOSFET的兩個柵極都可以控制電流大小。在射頻電路的應(yīng)用上，雙柵極MOSFET的第二個柵極大多數(shù)用來做增益、混頻器或是頻率轉(zhuǎn)換的控制。

　　2.耗盡型MOSFET

　　一般而言，耗盡型（depletion mode）MOSFET比前述的增強型（enhancement mode）MOSFET少見。耗盡型MOSFET在制造過程中改變摻雜到通道的雜質(zhì)濃度，使得這種MOSFET的柵極就算沒有加電壓，通道仍然存在。如果想要關(guān)閉通道，則必須在柵極施加負電壓。耗盡型MOSFET的應(yīng)用是在“常關(guān)型”（normally-off）的開關(guān)，而相對的，加強式MOSFET則用在“常開型”（normally-on）的開關(guān)上。

　　3.NMOS邏輯

　　同樣驅(qū)動能力的NMOS通常比PMOS所占用的面積小，因此如果只在邏輯門的設(shè)計上使用NMOS的話也能縮小芯片面積。不過NMOS邏輯雖然占的面積小，卻無法像CMOS邏輯一樣做到不消耗靜態(tài)功率，因此在1980年代中期后已經(jīng)漸漸退出市場。

　　4.功率MOSFET

　　功率MOSFET和前述的MOSFET元件在結(jié)構(gòu)上就有著顯著的差異。一般集成電路里的MOSFET都是平面式（planar）的結(jié)構(gòu)，晶體管內(nèi)的各端點都離芯片表面只有幾個微米的距離。而所有的功率元件都是垂直式（vertical）的結(jié)構(gòu)，讓元件可以同時承受高電壓與高電流的工作環(huán)境。一個功率MOSFET能耐受的電壓是雜質(zhì)摻雜濃度與N型磊晶層（epitaxial layer）厚度的函數(shù)，而能通過的電流則和元件的通道寬度有關(guān)，通道越寬則能容納越多電流。對于一個平面結(jié)構(gòu)的MOSFET而言，能承受的電流以及崩潰電壓的多寡都和其通道的長寬大小有關(guān)。對垂直結(jié)構(gòu)的MOSFET來說，元件的面積和其能容納的電流成大約成正比，磊晶層厚度則和其崩潰電壓成正比。

　　5.DMOS

　　DMOS是雙重擴散MOSFET（double-Diffused MOSFET）的縮寫，它主要用于高壓，屬于高壓MOS管范疇。

　　6.以MOSFET實現(xiàn)模擬開關(guān)

　　MOSFET在導(dǎo)通時的通道電阻低，而截止時的電阻近乎無限大，所以適合作為模擬信號的開關(guān)（信號的能量不會因為開關(guān)的電阻而損失太多）。MOSFET作為開關(guān)時，其源極與漏極的分別和其他的應(yīng)用是不太相同的，因為信號可以從MOSFET柵極以外的任一端進出。對NMOS開關(guān)而言，電壓負的一端就是源極，PMOS則正好相反，電壓正的一端是源極。MOSFET開關(guān)能傳輸?shù)男盘枙艿狡鋿艠O-源極、柵極-漏極，以及漏極到源極的電壓限制，如果超過了電壓的上限可能會導(dǎo)致MOSFET燒毀。

　　7.單一MOSFET開關(guān)

　　當(dāng)NMOS用來做開關(guān)時，其基極接地，柵極為控制開關(guān)的端點。當(dāng)柵極電壓減去源極電壓超過其導(dǎo)通的臨界電壓時，此開關(guān)的狀態(tài)為導(dǎo)通。柵極電壓繼續(xù)升高，則NMOS能通過的電流就更大。NMOS做開關(guān)時操作在線性區(qū)，因為源極與漏極的電壓在開關(guān)為導(dǎo)通時會趨向一致。

　　PMOS做開關(guān)時，其基極接至電路里電位的地方，通常是電源。柵極的電壓比源極低、超過其臨界電壓時，PMOS開關(guān)會打開。

　　NMOS開關(guān)能容許通過的電壓上限為（Vgate-Vthn），而PMOS開關(guān)則為（Vgate+Vthp），這個值通常不是信號原本的電壓振幅，也就是說單一MOSFET開關(guān)會有讓信號振幅變小、信號失真的缺點。

　　8.雙重MOSFET（CMOS）開關(guān)

　　為了改善前述單一MOSFET開關(guān)造成信號失真的缺點，于是使用一個PMOS加上一個NMOS的CMOS開關(guān)成為目前普遍的做法。CMOS開關(guān)將PMOS與NMOS的源極與漏極分別連接在一起，而基極的接法則和NMOS與PMOS的傳統(tǒng)接法相同。當(dāng)輸入電壓在（VDD-Vthn）和（VSS+Vthp）時，PMOS與NMOS都導(dǎo)通，而輸入小于（VSS+Vthp）時，只有NMOS導(dǎo)通，輸入大于（VDD-Vthn）時只有PMOS導(dǎo)通。這樣做的好處是在大部分的輸入電壓下，PMOS與NMOS皆同時導(dǎo)通，如果任一邊的導(dǎo)通電阻上升，則另一邊的導(dǎo)通電阻就會下降，所以開關(guān)的電阻幾乎可以保持定值，減少信號失真。