MOSFET使用多晶硅的原由及其常见技术

一、MOSFET使用多晶硅的原由
　　理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择电性良好的导体，多晶硅在经过重掺杂之后的导电性可以用在MOSFET的栅极上，但是并非完美的选择。MOSFET使用多晶硅的理由如下：
　　1. MOSFET的临界电压（threshold voltage）主要由栅极与通道材料的功函数（work function）之间的差异来决定，而因为多晶硅本质上是半导体，所以可以藉由掺杂不同极性的杂质来改变其功函数。更重要的是，因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时可以藉由直接调整多晶硅的功函数来达成需求。反过来说，金属材料的功函数并不像半导体那么易于改变，如此一来要降低MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压，将需要两种不同的金属分别做其栅极材料，对于制程又是一个很大的变量。
　　2.硅-二氧化硅接面经过多年的研究，已经证实这两种材料之间的缺陷（defect）是相对而言比较少的。反之，金属-绝缘体接面的缺陷多，容易在两者之间形成很多表面能阶，大为影响元件的特性。
　　3.多晶硅的融点比大多数的金属高，而在现代的半导体制程中习惯在高温下沉积栅极材料以增进元件效能。金属的融点低，将会影响制程所能使用的温度上限。
　　二、MOSFET的常见技术汇总
　　MOSFET是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。它常见技术主要有：
　　1.双栅极MOSFET
　　双栅极（dual-gate）MOSFET通常用在射频（Radio Frequency,RF）集成电路中，这种MOSFET的两个栅极都可以控制电流大小。在射频电路的应用上，双栅极MOSFET的第二个栅极大多数用来做增益、混频器或是频率转换的控制。
　　2.耗尽型MOSFET
　　一般而言，耗尽型（depletion mode）MOSFET比前述的增强型（enhancement mode）MOSFET少见。耗尽型MOSFET在制造过程中改变掺杂到通道的杂质浓度，使得这种MOSFET的栅极就算没有加电压，通道仍然存在。如果想要关闭通道，则必须在栅极施加负电压。耗尽型MOSFET最大的应用是在“常关型”（normally-off）的开关，而相对的，加强式MOSFET则用在“常开型”（normally-on）的开关上。
　　3.NMOS逻辑
　　同样驱动能力的NMOS通常比PMOS所占用的面积小，因此如果只在逻辑门的设计上使用NMOS的话也能缩小芯片面积。不过NMOS逻辑虽然占的面积小，却无法像CMOS逻辑一样做到不消耗静态功率，因此在1980年代中期后已经渐渐退出市场。
　　4.功率MOSFET
　　功率MOSFET和前述的MOSFET元件在结构上就有着显着的差异。一般集成电路里的MOSFET都是平面式（planar）的结构，晶体管内的各端点都离芯片表面只有几个微米的距离。而所有的功率元件都是垂直式（vertical）的结构，让元件可以同时承受高电压与高电流的工作环境。一个功率MOSFET能耐受的电压是杂质掺杂浓度与N型磊晶层（epitaxial layer）厚度的函数，而能通过的电流则和元件的通道宽度有关，通道越宽则能容纳越多电流。对于一个平面结构的MOSFET而言，能承受的电流以及崩溃电压的多寡都和其通道的长宽大小有关。对垂直结构的MOSFET来说，元件的面积和其能容纳的电流成大约成正比，磊晶层厚度则和其崩溃电压成正比。
　　5.DMOS
　　DMOS是双重扩散MOSFET（double-Diffused MOSFET）的缩写，它主要用于高压，属于高压MOS管范畴。
　　6.以MOSFET实现模拟开关
　　MOSFET在导通时的通道电阻低，而截止时的电阻近乎无限大，所以适合作为模拟信号的开关（信号的能量不会因为开关的电阻而损失太多）。MOSFET作为开关时，其源极与漏极的分别和其他的应用是不太相同的，因为信号可以从MOSFET栅极以外的任一端进出。对NMOS开关而言，电压最负的一端就是源极，PMOS则正好相反，电压最正的一端是源极。MOSFET开关能传输的信号会受到其栅极-源极、栅极-漏极，以及漏极到源极的电压限制，如果超过了电压的上限可能会导致MOSFET烧毁。
　　7.单一MOSFET开关
　　当NMOS用来做开关时，其基极接地，栅极为控制开关的端点。当栅极电压减去源极电压超过其导通的临界电压时，此开关的状态为导通。栅极电压继续升高，则NMOS能通过的电流就更大。NMOS做开关时操作在线性区，因为源极与漏极的电压在开关为导通时会趋向一致。
　　PMOS做开关时，其基极接至电路里电位最高的地方，通常是电源。栅极的电压比源极低、超过其临界电压时，PMOS开关会打开。
　　NMOS开关能容许通过的电压上限为（Vgate-Vthn），而PMOS开关则为（Vgate+Vthp），这个值通常不是信号原本的电压振幅，也就是说单一MOSFET开关会有让信号振幅变小、信号失真的缺点。
　　8.双重MOSFET（CMOS）开关
　　为了改善前述单一MOSFET开关造成信号失真的缺点，于是使用一个PMOS加上一个NMOS的CMOS开关成为目前最普遍的做法。CMOS开关将PMOS与NMOS的源极与漏极分别连接在一起，而基极的接法则和NMOS与PMOS的传统接法相同。当输入电压在（VDD-Vthn）和（VSS+Vthp）时，PMOS与NMOS都导通，而输入小于（VSS+Vthp）时，只有NMOS导通，输入大于（VDD-Vthn）时只有PMOS导通。这样做的好处是在大部分的输入电压下，PMOS与NMOS皆同时导通，如果任一边的导通电阻上升，则另一边的导通电阻就会下降，所以开关的电阻几乎可以保持定值，减少信号失真。