金屬氧化物半導體場效應管（英語：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），簡稱金氧半場效電晶體，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效電晶體。
基本介紹
基本信息,電路符號,操作原理,
基本信息
金屬氧化物半導體場效應管（英語：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），簡稱金氧半場效電晶體，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效電晶體。金屬氧化物半導體場效應管依照其“溝道”極性的不同，可分為電子占多數的N溝道型與空穴占多數的P溝道型，通常被稱為N型金氧半場效電晶體（NMOSFET）與P型金氧半場效電晶體（PMOSFET）。
以金氧半場效電晶體（MOSFET）的命名來看，事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET跟英文單字“metal（金屬）”的第一個字母M，在當下大部分同類的組件里是不存在的。早期金氧半場效電晶體柵極使用金屬作為材料，但隨著半導體技術的進步，現代的金氧半場效電晶體柵極已用多晶矽取代了金屬。
金氧半場效電晶體在概念上屬於“絕緣柵極場效電晶體”（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET）。而IGFET的柵極絕緣層，有可能是其他物質，而非金氧半場效電晶體使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶矽柵極的場效電晶體組件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是金氧半場效電晶體。
金氧半場效電晶體里的氧化層位於其溝道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃（Å）不等，通常材料是二氧化矽（SiO2），不過有些新的高級製程已經可以使用如氮氧化矽（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。
今日半導體組件的材料通常以矽為首選，但是也有些半導體公司發展出使用其他半導體材料的製程，當中最著名的例如IBM使用矽與鍺的混合物所發展的矽鍺製程（SiGe process）。而可惜的是很多擁有良好電性的半導體材料，如砷化鎵（GaAs），因為無法在表面長出品質夠好的氧化層，所以無法用來製造金氧半場效電晶體組件。
當一個夠大的電位差施於金氧半場效電晶體的柵極與源極之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時就會形成所謂的“反轉溝道”（inversion channel）。溝道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設漏極和源極是n型，那么溝道也會是n型。溝道形成後，金氧半場效電晶體即可讓電流通過，而依據施於柵極的電壓值不同，可由金氧半場效電晶體的溝道流過的電流大小亦會受其控制而改變。
電路符號
常用於金氧半場效電晶體的電路符號有多種形式，最常見的設計是以一條垂直線代表溝道（Channal），兩條和溝道平行的接線代表源極（Source）與漏極（Drain），左方和溝道垂直的接線代表柵極（Gate），如下圖所示。有時也會將代表溝道的直線以虛線代替，以區分增強型（enhancement mode，又稱增強式）金氧半場效電晶體或是耗盡型（depletion mode，又稱耗盡式）金氧半場效電晶體。
由於積體電路晶片上的金氧半場效電晶體為四端組件，所以除了源極（S）、漏極（D）、柵極（G）外，尚有一基極（Bulk或是Body）。金氧半場效電晶體電路符號中，從溝道往右延伸的箭號方向則可表示此組件為n型或是p型的金氧半場效電晶體。箭頭方向永遠從P端指向N端，所以箭頭從溝道指向基極端的為p型的金氧半場效電晶體，或簡稱PMOS（代表此組件的溝道為p型）；反之則代表基極為p型，而溝道為n型，此組件為n型的金氧半場效電晶體，簡稱NMOS。在一般分散式金氧半場效電晶體組件中，通常把基極和源極接在一起，故分散式金氧半場效電晶體通常為三端組件。而在積體電路中的金氧半場效電晶體通常因為使用同一個基極（common bulk），所以不標示出基極的極性，而在PMOS的柵極端多加一個圓圈以示區別。
操作原理
金氧半場效電晶體的核心
金屬—氧化層—半導體結構
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柵極材料），氧化層的材料多半是二氧化矽，其下是作為基極的矽，而其上則是作為柵極的多晶矽。這樣的結構正好等於一個電容器（capacitor），氧化層為電容器中介電質（dielectric material），而電容值由氧化層的厚度與二氧化矽的介電常數（dielectric constant）來決定。柵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。考慮一個p型的半導體（電洞濃度為NA）形成的MOS電容，當一個正的電壓VGB施加在柵極與基極端（如圖）時，電洞的濃度會減少，電子的濃度會增加。當VGB夠強時，接近柵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）。
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流子（majority carrier）的源極以及接受這些多數載流子的漏極。
金氧半場效電晶體的結構
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漏極。源極與漏極的特性必須同為n-type（即NMOS）或是同為p-type（即PMOS）。左圖NMOS的源極與漏極上標示的“N+”代表著兩個意義：(1)N代表摻雜（doped）在源極與漏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。在源極與漏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，那么其基體區的摻雜就是p-type。反之對PMOS而言，基體應該是n-type，而源極與漏極則為p-type（而且是重摻雜的P+）。基體的摻雜濃度不需要如源極或漏極那么高，故在左圖中沒有“+”。
對這個NMOS而言，真正用來作為溝道、讓載流子通過的只有MOS電容正下方半導體的表面區域。當一個正電壓施加在柵極上，帶負電的電子就會被吸引至表面，形成溝道，讓n-type半導體的多數載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這個電壓被移除，或是放上一個負電壓，那么溝道就無法形成，載流子也無法在源極與漏極之間移動。
假設操作的對象換成PMOS，那么源極與漏極為p-type、基體則是n-type。在PMOS的柵極上施加負電壓，則半導體上的空穴會被吸引到表面形成溝道，半導體的多數載流子—空穴則可以從源極流向漏極。假設這個負電壓被移除，或是加上正電壓，那么溝道無法形成，一樣無法讓載流子在源極和漏極間移動。
特別要說明的是，源極在金氧半場效電晶體里的意思是“提供多數載流子的來源”。對NMOS而言，多數載流子是電子；對PMOS而言，多數載流子是空穴。相對的，漏極就是接受多數載流子的端點。
金氧半場效電晶體的操作模式
依照在金氧半場效電晶體的柵極、源極，與漏極等三個端點施加的“偏置”（bias）不同，一個常見的加強型（enhancement mode）n-type。
