MOSFET 是什麼？MOSFET應用有哪些？

MOSFET，簡稱「MOS」，其全稱為金屬—氧化物—半導體場效電晶體（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。無論在 IC 設計裡，還是電路板應用上，都十分廣泛。尤其在大功率半導體領域，各種結構的 MOSFET 更是發揮著不可替代的作用。

許多電子產品的零件組成，需要「MOSFET」，因此也會與 MOSFET 相關個股有密切相關！例如：電腦、平板電腦、智慧型手機及相關工業用品… 等。不過 MOSFET 是什麼？究竟長什麼樣子？

MOSFET 是什麼？

MOSFET 是功率離散元件的主體之一，扮演著電源電子控制的角色（可以想像成是開關）。依照不同的導電特性與通道的差異，又可分為 NMOS、PMOS、CMOS 三種：

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）」。

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。

CMOS（Complementary MOS）

CMOS 的構造如＜圖一 (c)＞所示，由「一個 NMOS」＋「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。

圖一、MOS 與 CMOS 的構造

閘極長度（Gate length）

由＜圖一＞可以看出，MOS 的閘極長度大約 0.1μm（微米），所以 NMOS 與 PMOS 的尺寸大約 0.5 μm，MOS 的尺寸大約 1 μm。

閘極長度是所有構造中最細小也最難製作的，因此我們常常以閘極長度來代表半導體製程的進步程度，這就是所謂的「製程線寬」。閘極長度會隨製程技術的進步而變小，從早期的 0.18 微米、0.13 微米，進步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米，到目前最新製程 10 奈米。當閘極長度愈小，則整個 MOS 就愈小，而同樣含有數十億個 MOS 的晶片就愈小，封裝以後的積體電路就愈小，最後做出來的手機就愈小囉！

【備註】製程線寬其實就是閘極長度，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「線寬」。

MOSFET 應用

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（P 型通道）以後，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＜圖二 (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，形成含有電子的通道（Channel），電子沿著通道繼續前進，形成通路，代表 1，如＜圖二 (b)＞所示。
我們就是利用閘極快速地「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。

圖二、NMOS開關的工作原理

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。

MOS 放大器（MOS amplifier）

使用 NMOS 除了可以當開關，也可以做為放大器，其工作原理如＜圖三 (a)＞所示，將「較小的電壓或電流（小訊號）」輸入閘極（Gate），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 或 CMOS 都可以做為放大器來使用，其工作原理如＜圖三 (b)＞所示，在此不再詳細討論。

圖三、NMOS 放大器的工作原理

CMOS 開關與放大器

由上面的描述可以得知，MOS 說穿了就是一種「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＜圖一＞能看出 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 的二倍，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》授權轉載

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