金屬氧化物半導體場效電晶體

金氧半場效電晶體的核心

金氧半場效電晶體在結構上以一個金屬—氧化物層—半導體的電容為核心（現在的金氧半場效電晶體多半以多晶矽取代金屬作為其閘極材料），氧化層的材料多半是二氧化矽，其下是作為基極的矽，而其上則是作為閘極的多晶矽。這樣的結構正好等於一個電容器，氧化層為電容器中介電質，而電容值由氧化層的厚度與二氧化矽的介電係數來決定。閘極多晶矽與基極的矽則成為MOS電容的兩個端點。
當一個電壓施加在MOS電容的兩端時，半導體的電荷分布也會跟著改變。

累積

考慮一個p型的半導體（電洞濃度為NA）形成的MOS電容，當給電容器加負電壓時，電荷增加（如C-V曲線左側所示）。

空乏

相反，當一個正的電壓VGB施加在閘極與基極端（如圖）時，電洞的濃度會減少（稱為空乏，如C-V曲線中間所示），電子的濃度會增加。

反型

當VGB夠強時，接近閘極端的電子濃度會超過電洞。這個在p-type半導體中，電子濃度（帶負電荷）超過電洞（帶正電荷）濃度的區域，便是所謂的反轉層（inversion layer），如C-V曲線右側所示。
MOS電容的特性決定了金氧半場效電晶體的操作特性，但是一個完整的金氧半場效電晶體結構還需要一個提供多數載子（majority carrier）的源極以及接受這些多數載子的汲極。

金氧半場效電晶體的結構

左圖是一個n-type金氧半場效電晶體（以下簡稱NMOS）的截面圖。如前所述，金氧半場效電晶體的核心是位於中央的MOS電容，而左右兩側則是它的源極與汲極。源極與汲極的特性必須同為n-type（即NMOS）或是同為p-type（即PMOS）。左圖NMOS的源極與汲極上標示的「N+」代表著兩個意義：（1）N代表摻雜（doped）在源極與汲極區域的雜質極性為N；（2）「+」代表這個區域為高摻雜濃度區域（heavily doped region），也就是此區的電子濃度遠高於其他區域。在源極與汲極之間被一個極性相反的區域隔開，也就是所謂的基極（或稱基體）區域。如果是NMOS，那麼其基體區的摻雜就是p-type。反之對PMOS而言，基體應該是n-type，而源極與汲極則為p-type（而且是重摻雜的P+）。基體的摻雜濃度不需要如源極或汲極那麼高，故在左圖中沒有「+」，作為通道用。
對這個NMOS而言，真正用來作為通道、讓載子通過的只有MOS電容正下方半導體的表面區域。當一個正電壓施加在閘極上，帶負電的電子就會被吸引至表面，形成通道，讓n-type半導體的多數載子—電子可以從源極流向汲極。如果這個電壓被移除，或是放上一個負電壓，那麼通道就無法形成，載子也無法在源極與汲極之間流動，也就是可以透過閘極的電壓控制通道的開關。
假設操作的對象換成PMOS，那麼源極與汲極為p-type、基體則是n-type。在PMOS的閘極上施加負電壓，則半導體上的電洞會被吸引到表面形成通道，半導體的多數載子—電洞則可以從源極流向汲極。假設這個負電壓被移除，或是加上正電壓，那麼通道無法形成，一樣無法讓載子在源極和汲極間流動。
特別要說明的是，源極在金氧半場效電晶體裡的意思是「提供多數載子的來源」。對NMOS而言，多數載子是電子；對PMOS而言，多數載子是電洞。相對的，汲極就是接受多數載子的端點。

基板效應

一般而言，源極電壓與基板電壓兩者接在一起VSB＝0，但在實際上VSB＞0（對P型基板而言），此時基板與源極產生逆偏，使得空乏區電荷增加，因此使臨界電壓增加的現象稱為基板效應（Body Effect）。基板效應通常是負面的，臨界電壓之變化常會使類比電路或數位電路設計更加複雜。MOS受到基板效應影響，臨界電壓會有所改變，公式如下：
,
是基極與源極之間無電位差時的臨界電壓，是基板效應參數，則是與半導體能階相關的參數（禁帶中線與費米能級的差值）。

金氧半場效電晶體在電子電路上應用的優勢

金氧半場效電晶體在1960年由貝爾實驗室的D. Kahng和Martin Atalla首次實作成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克利等人發明的雙載子接面電晶體截然不同，且因為製造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優勢，在大型積體電路或是超大型積體電路的領域裡，重要性遠超過BJT。
近年來由於金氧半場效電晶體元件的效能逐漸提升，除了傳統上應用於諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用金氧半場效電晶體來實現，以下分別介紹這些應用。

數位電路

數位科技的進步，如微處理器運算效能不斷提升，帶給深入研發新一代金氧半場效電晶體更多的動力，這也使得金氧半場效電晶體本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導體主動元件中最快的一種。金氧半場效電晶體在數位訊號處理上最主要的成功來自互補式金屬氧化物半導體邏輯電路的發明，這種結構最大的好處是理論上不會有靜態的功率損耗，只有在邏輯閘的切換動作時才有電流通過。互補式金屬氧化物半導體邏輯閘最基本的成員是互補式金屬氧化物半導體反相器，而所有互補式金屬氧化物半導體邏輯閘的基本操作都如同反相器一樣，同一時間內必定只有一種電晶體（NMOS或是PMOS）處在導通的狀態下，另一種必定是截止狀態，這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑，大量節省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發熱量。
金氧半場效電晶體在數位電路上應用的另外一大優勢是對直流訊號而言，金氧半場效電晶體的閘極端阻抗為無限大（等效於開路），也就是理論上不會有電流從金氧半場效電晶體的閘極端流向電路裡的接地點，而是完全由電壓控制閘極的形式。這讓金氧半場效電晶體和他們最主要的競爭對手BJT相較之下更為省電，而且也更易於驅動。在CMOS邏輯電路裡，除了負責驅動晶片外負載（off-chip load）的驅動器外，每一級的邏輯閘都只要面對同樣是金氧半場效電晶體的閘極，如此一來較不需考慮邏輯閘本身的驅動力。相較之下，BJT的邏輯電路（例如最常見的TTL）就沒有這些優勢。金氧半場效電晶體的閘極輸入電阻無限大對於電路設計工程師而言亦有其他優點，例如較不需考慮邏輯閘輸出端的負載效應（loading effect）。

類比電路

有一段時間，金氧半場效電晶體並非類比電路設計工程師的首選，因為類比電路設計重視的效能參數，如電晶體的跨導或是電流的驅動力上，金氧半場效電晶體不如BJT來得適合類比電路的需求。但是隨著金氧半場效電晶體技術的不斷演進，今日的CMOS技術也已經可以符合很多類比電路的規格需求。再加上金氧半場效電晶體因為結構的關係，沒有BJT的一些致命缺點，如熱破壞（thermal runaway）。另外，金氧半場效電晶體在線性區的壓控電阻特性亦可在積體電路裡用來取代傳統的多晶矽電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶矽—絕緣體—多晶矽電容（PIP capacitor），甚至在適當的電路控制下可以表現出電感（inductor）的特性，這些好處都是BJT很難提供的。也就是說，金氧半場效電晶體除了扮演原本電晶體的角色外，也可以用來作為類比電路中大量使用的被動元件（passive device）。這樣的優點讓採用金氧半場效電晶體實現類比電路不但可以滿足規格上的需求，還可以有效縮小晶片的面積，降低生產成本。
隨著半導體製造技術的進步，對於整合更多功能至單一晶片的需求也跟著大幅提升，此時用金氧半場效電晶體設計類比電路的另外一個優點也隨之浮現。為了減少在印刷電路板上使用的積體電路數量、減少封裝成本與縮小系統的體積，很多原本獨立的類比晶片與數位晶片被整合至同一個晶片內。金氧半場效電晶體原本在數位積體電路上就有很大的競爭優勢，在類比積體電路上也大量採用金氧半場效電晶體之後，把這兩種不同功能的電路整合起來的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合訊號電路（Mixed-signal circuits），如類比數位轉換器，也得以利用金氧半場效電晶體技術設計出效能更好的產品。
近年來還有一種整合金氧半場效電晶體與BJT各自優點的製程技術：BiCMOS也越來越受歡迎。BJT元件在驅動大電流的能力上仍然比一般的CMOS優異，在可靠度方面也有一些優勢，例如不容易被靜電放電破壞。所以很多同時需要複雜訊號處理以及強大電流驅動能力的積體電路產品會使用BiCMOS技術來製作。

金氧半場效電晶體的尺寸縮放

過去數十年來，金氧半場效電晶體的尺寸不斷地變小。早期的積體電路金氧半場效電晶體製程裡，通道長度約在幾個微米的等級。但是到了今日的積體電路製程，這個參數已經縮小到了幾十分之一甚至一百分之一。2008年初，Intel開始以45奈米的技術來製造新一代的微處理器，實際的元件通道長度可能比這個數字還小一些。至90年代末，金氧半場效電晶體尺寸不斷縮小，讓積體電路的效能大大提升，而從歷史的角度來看，這些技術上的突破和半導體製程的進步有著密不可分的關係。

雙閘極金氧半場效電晶體

雙閘極（dual-gate）金氧半場效電晶體通常用在射頻積體電路中，這種金氧半場效電晶體的兩個閘極都可以控制電流大小。在射頻電路的應用上，雙閘極金氧半場效電晶體的第二個閘極大多數用來做增益、混頻器或是頻率轉換的控制。

空乏式MOSFETS

一般而言，空乏式（depletion mode）金氧半場效電晶體比前述的加強式（enhancement mode）金氧半場效電晶體少見。空乏式金氧半場效電晶體在製造過程中改變摻雜到通道的雜質濃度，使得這種金氧半場效電晶體的閘極就算沒有加電壓，通道仍然存在。如果想要關閉通道，則必須在閘極施加負電壓（對NMOS而言）。空乏式金氧半場效電晶體是屬於「常閉型」（normally-closed，ON）的開關，而相對的，加強式金氧半場效電晶體則屬於「常斷型」（normally-open，OFF）的開關。

NMOS邏輯

同樣驅動能力的NMOS通常比PMOS所佔用的面積小，因此如果只在邏輯閘的設計上使用NMOS的話也能縮小晶片面積。不過NMOS邏輯雖然佔的面積小，卻無法像CMOS邏輯一樣做到不消耗靜態功率，因此在1980年代中期後已經漸漸登出市場，目前以CMOS為主流。

功率金氧半場效電晶體

功率金氧半場效電晶體（Power MOSFET）和前述的金氧半場效電晶體元件在結構上就有著顯著的差異。一般積體電路裡的金氧半場效電晶體都是平面式（planar）的結構，電晶體內的各端點都離晶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）的結構，讓元件可以同時承受高電壓與高電流的操作環境。一個功率金氧半場效電晶體能耐受的電壓是雜質摻雜濃度與n-type磊晶層（epitaxial layer）厚度的函式，而能通過的電流則和元件的通道寬度有關，通道越寬則能容納越多電流。對於一個平面結構的金氧半場效電晶體而言，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。對垂直結構的金氧半場效電晶體來說，元件的面積和其能容納的電流大約成正比，磊晶層厚度則和其崩潰電壓成正比。
值得一提的是採用平面式結構的功率金氧半場效電晶體也並非不存在，這類元件主要用在高級的音響放大器中。平面式的功率金氧半場效電晶體在飽和區的特性比垂直結構的對手更好。垂直式功率金氧半場效電晶體則多半用來做開關切換之用，取其導通電阻（turn-on resistance）非常小的優點。

DMOS

DMOS是雙重擴散金氧半場效電晶體（Double-Diffused金氧半場效電晶體）的縮寫，大部分的功率金氧半場效電晶體都是採用這種製作方式完成的。

以金氧半場效電晶體實現類比開關

金氧半場效電晶體在導通時的通道電阻低，而截止時的電阻近乎無限大，所以適合作為類比訊號的開關（訊號的能量不會因為開關的電阻而損失太多）。金氧半場效電晶體作為開關時，其源極與汲極的分別和其他的應用是不太相同的，因為訊號可以從金氧半場效電晶體閘極以外的任一端進出。對NMOS開關而言，電壓最負的一端就是源極，PMOS則正好相反，電壓最正的一端是源極。金氧半場效電晶體開關能傳輸的訊號會受到其閘極—源極、閘極—汲極，以及汲極到源極的電壓限制，如果超過了電壓的上限可能會導致金氧半場效電晶體燒毀。
金氧半場效電晶體開關的應用範圍很廣，舉凡需要用到取樣持有電路（sample-and-hold circuits）或是截波電路（chopper circuits）的設計，例如類比數位轉換器（A/D converter）或是切換電容濾波器（switch-capacitor filter）上都可以見到金氧半場效電晶體開關的蹤影。

單一金氧半場效電晶體開關

當NMOS用來做開關時，其源極接地，閘極為控制開關的端點。當閘極電壓減去源極電壓超過其導通的臨界電壓時，此開關的狀態為導通。閘極電壓繼續升高，則NMOS能通過的電流就更大。NMOS做開關時操作在線性區，因為源極與汲極的電壓在開關為導通時會趨向一致。
PMOS做開關時，其源極接至電路裡電位最高的地方，通常是電源。閘極的電壓比源極低、超過其臨界電壓時，PMOS開關會打開。
NMOS開關能容許通過的電壓上限為（Vgate-Vₜₕₙ），而PMOS開關則為（Vgate+Vₜₕₚ），這個值通常不是訊號原本的電壓振幅，也就是說單一金氧半場效電晶體開關會有讓訊號振幅變小、訊號失真的缺點。

雙重（互補式）金氧半場效電晶體（CMOS, Complementary MOS）開關

為了改善前述單一金氧半場效電晶體開關造成訊號失真的缺點，於是使用一個PMOS加上一個NMOS的CMOS開關（Transmission gate）成為目前最普遍的做法。CMOS開關將PMOS與NMOS的源極與汲極分別連接在一起，而基極的接法則和NMOS與PMOS的傳統接法相同（PMOS的基極接到最高電壓，即VDD；NMOS的基極接到最低電壓，即VSS或GND）。要令開關導通時，則把PMOS的閘極接低電位（VSS或GND），NMOS的閘極接高電位（VDD）。當輸入電壓在（VDD-Vₜₕₙ）到（VSS+Vₜₕₚ）時，PMOS與NMOS都導通，而輸入小於（VSS+Vₜₕₚ）時，只有NMOS導通，輸入大於（VDD-Vₜₕₙ）時只有PMOS導通，這樣做的好處是在大部分的輸入電壓下，PMOS與NMOS皆同時導通，如果任一邊的導通電阻上升，則另一邊的導通電阻就會下降，所以開關的電阻幾乎可以保持定值，減少訊號失真。