半导体器件知多少（51）－－－金属-氧化物-半导体场效应晶体管
“金属-氧化物-半导体（有时叫做金属-氧化物-硅）场效应晶体管”是众所周知的MOSFET，金属-氧化物-半导体场效应晶体管也简称为MOS，它属于其栅极与半导体用介质层作电气隔离的一般类型的器件（叫做IGFET（绝缘栅场效应晶体管）或MISFET（金属-绝缘体-半导体场效应晶体管））。MOSFET有氧化物作绝缘体，而且由于热生长的接近理想的氧化物/半导体界面，所以通常把它称为硅器件。另一方面，MISFET也意味着IGFET是制作在化合物半导体上。
场效应概念的提出，可以追溯到1926年。在二十世纪四十年代后期，一些实验都集中于制作场效应器件。事实上，这些研究活动过程正是1947年实验发现双极晶体管的实践过程。1948年肖克莱和皮尔森（Pearson）展示了{dy}个FET 。直到此时，场效应仅用于调节本体材料表面附近的少数载流子传导。在1955年，罗斯（Ross）提出使用表面反型层中少数载流子的场效应，1960年阿塔拉（Atalla）首次提出了Si/SiO2系统。在双极晶体管发明以后，多数科研活动都转向了该领域。另外的障碍是难于制得没有过多的漏电流、氧化物电荷和界面陷阱的优质氧化物-半导体系统。后来赖根扎和斯皮策率先研制出有关高压水汽生长氧化物，有助于1960年卡恩格和阿塔拉开发出{dy}个MOSFET。从此以后，MOSFET的声望如日中天。由于因氧化物正电荷的存在而没有能力实现n沟道增强型器件，所以早期的MOSFET则以p沟道器件占主导地位。在氧化物质量得到改进以后，由于有了较高的电子迁移率，使得n沟道器件具有更优良的性能。现在多数电路都采用包括两种沟道的互补MOS器件（CMOS）。由于MOSFET结构简单、成本低、尺寸小及功耗低，所以MOSFET是商品集成电路中最常用的晶体管。
大约在1963年，伊汉托拉等人开发出MOSFET特性的器件模型。
对于n沟器件，电流是由电子导电，而源和漏是由n＋区（在1020cm－3量级）形成，可与沟道良好接触。在栅极结构蚀刻出以后，采用离子注入制成源和漏，所以它们与栅是自对准。栅与源和栅与漏的套刻是形成连续沟道的关键。因器件是对称的，所以源和漏可以相互交换。金属化结之间的距离是有效沟道长度LC。其衬底为相反类型，可确保源和漏隔离。为了获得优良界面特性，氧化物采用热生长。最通用的栅极材料是多晶硅，但是也能使用金属和硅化物。在后一种情况下，为了适应于高温工艺，难熔金属和硅化物是必需品。对于0.3微米的沟道长度，典型参数是：氧化层厚度约为10纳米，衬底掺杂约为3×1017cm－3，源和漏的结深约为0.2微米。优化的MOSFET通常在y方向有非均匀的衬底掺杂，并具有贝尔型分布。较高的本体浓度可以起防止源和漏之间穿通的作用，而在表面的低掺杂可以保持低阈值电压，并可使迁移率因高表面电场引起的退化降低到{zd1}限度。
对于每一类沟道，都能调节开启沟道的阈值栅电压。如果沟道在零栅电压下关断（正常关断），那么就称它为“增强型器件”，因为需要栅电压来增强沟道。如果沟道已经在零栅电压下导通（正常导通），那么就称它为“耗尽型器件”，因为需要栅电压来耗尽沟道。获得耗尽型器件的常用方法，是引入一种隐埋沟道，这种隐埋沟道采用离子注入形成。 当沟道长度缩短到大约1微米时，将产生“短沟道效应”。解释某些短沟道效应的一种普遍方法是由于几何尺寸影响产生电荷分享。0.1微米MOSFET的理论截止频率约为150GHz，但是在实际电路中，实际上它仅工作在约20GHz。
不同类型的源和漏结构已显示出能解决一些特殊问题。对于亚微米长度的MOSFET，热电子引起的可靠性揭示出严重的长期退化问题。这种问题的出现，是因为热载流子获取了足够的能量可克服Si/SiO2势垒，并在界面产生陷阱电荷。为了降低漏附近的内部电场，可引入轻掺杂区。一种方法是LDD（轻掺杂漏）结构，通常在栅边缘的隔离墙前后采用两步注入制得到。另一种方法是使用DDD（双扩散漏）结构，其中使用两种掺杂物，而且一种扩散比另一种快。这种方法可改进器件寿命，其缺点是串联电阻将增加。 肖特基势垒也已用作源/漏的选择方案，其优点是可降低CMOS电路中的闭锁现象、减小短沟道效应（零结深）和制作简单。其缺点是少数载流子的提供不足，导致大大增加串联电阻。（其特性的理论分析从略） MOSFET在电子工业领域拥有广泛的应用场合，而且它是现代商业化集成电路中最常用的晶体管。在性能方面，它具有高速能力、极高的输入电阻和相当恒定的输入电容。其生产成本低廉，而且非常容易获得高成品率。它占用芯片面积小，而且具有很低功耗。这些特点使MOSFET能应用于高性能电路和高密度电路。高性能电路的例子是激光驱动器和复用器。对于高密度电路，MOSFET几乎专门用于SRAM和DRAM。在BiCMOS（双极-CMOS）电路中，MOSFET也用来与双极晶体管连接，这种电路具有更高的电流驱动能力。MOSFET也用于特殊器件应用场合，如非易失性存储器、化学传感器及戽斗式器件。 MOSFET用作功率器件已经越来越普遍。与双极晶体管相比，MOSFET功率器件更可靠和更耐用，也有更好的温度特性。由于它不存在存储时间而且在大电流下增益更高，所以它也有更好的开关特性。特别是它可应用于开关电源、射频发生器和马达驱动器。
