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MOSFET的工作原理要使增强型N沟道MOSFET工作,要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图3所示(上面↑)。若先不接VGS(即VGS=0),在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之间的PN结处于反向,因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加

MOSFET的工作原理

  •       要使增强型N沟道MOSFET工作,要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图3所示(上面)。
    若先不接VGS(即VGS=0),在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之间的PN结处于反向,因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作器的两个极板,而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时,在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷,而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷(如图3)。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反,所以称为“反型层”,这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时,感应出来的负电荷较少,它将被P型衬底中的空穴中和,因此在这种情况时,漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时,其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道,这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压),用符号VT表示(一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大,负电荷增加,导电沟道扩大,降低,ID也随之增加,并且呈较好线性关系,如图4所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为,改变VGS来控制漏源之间的电阻,达到控制ID的作用。由于这种结构在VGS=0时,ID=0,称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET,在VGS=0时也有一定的ID(称为IDSS),这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图5所示,它的转移特性如图6所示。VP为夹断电压(ID=0)。
    耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子,使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷,即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道,所以在VGS=0时,有VDS作用时也有一定的ID(IDSS);当VGS有电压时(可以是正电压或负电压),改变感应的负电荷数量,从而改变ID的大小。VP为ID=0时的-VGS,称为夹断电压。

MOSFET的结构

  •     图1是典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底(图la),在其面上扩散了两个N型区(图lb),再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc),最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图1d所示。 从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起。

                           

    图1是N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性,如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺,构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。图2是一种N沟道增强型功率MOSFET的结构图。虽然有不同的结构,但其工作原理是相同的,这里就不一一介绍了。

     

详细信息与相关发展

  •       目前的角度来看MOSFET的命名,事实上会让人得到错误的印象。因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期MOSFET的栅极(gate electrode)使用金属作为其材料,但随著半导体技术的进步,现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。
    MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”(Insulated-Gate Field Effect Transistor, IGFET),而IGFET的栅极绝缘层有可能是其他物质而非MOSFET使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管元件时比较喜欢用IGFET,但是这些IGFET多半指的是MOSFET。
    MOSFET里的氧化层位于其通道上方,依照其操作电压的不同,这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃(Å)不等,通常材料是二氧化硅(silicon dioxide, SiO2),不过有些新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做为氧化层之用。
    今日半导体元件的材料通常以硅(silicon)为首选,但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程,当中最著名的例如IBM使用硅与锗(germanium)的混合物所发展的硅锗制程(silicon-germanium process, SiGe process)。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料,如砷化镓(gallium arsenide, GaAs),因为无法在表面长出品质够好的氧化层,所以无法用来制造MOSFET元件。
    当一个够大的电位差施于MOSFET的栅极与源极(source)之间时,电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷,而这时所谓的“反型层”(inversion channel)就会形成。通道的极性与其漏极(drain)与源极相同,假设漏极和源极是n-type,那么通道也会是n-type。通道形成后,MOSFET即可让电流通过,而依据施于栅极的电压值不同,可由MOSFET的通道流过的电流大小亦会受其控制而改变。
    电路符号
    常用于MOSFET的电路符号有很多种变化,最常见的设计是以一条直线代表通道,两条和通道垂直的线代表源极与漏极,左方和通道平行而且较短的线代表栅极,如下图所示。有时也会将代表通道的直线以破折线代替,以区分增强型MOSFET(enhancement mode MOSFET)或是耗尽型MOSFET(depletion mode MOSFET)。
    由于积体电路芯片上的MOSFET为四端元件,所以除了栅极、源极、漏极外,尚有一基极(Bulk或是Body)。MOSFET电路符号中,从通道往右延伸的箭号方向则可表示此元件为n-type或是p-type的MOSFET。箭头方向永远从P端指向N端,所以箭头从通道指向基极端的为p-type的MOSFET,或简称PMOS(代表此元件的通道为p-type);反之若箭头从基极指向通道,则代表基极为p-type,而通道为n-type,此元件为n-type的MOSFET,简称NMOS。在一般分布式MOSFET元件(discrete device)中,通常把基极和源极接在一起,故分布式MOSFET通常为三端元件。而在积体电路中的MOSFET通常因为使用同一个基极(common bulk),所以不标示出基极的极性,而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。
    MOSFET的操作原理
    MOSFET的核心:金属—氧化层—半导体电容
    金属—氧化层—半导体结构MOSFET在结构上以一个金属—氧化层—半导体的电容为核心(如前所述,今日的MOSFET多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料),氧化层的材料多半是二氧化硅,其下是作为基极的硅,而其上则是作为栅极的多晶硅。这样子的结构正好等于一个电容器(capacitor),氧化层扮演电容器中介电质(dielectric material)的角色,而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数(dielectric constant)来决定。栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点。
    当一个电压施加在MOS电容的两端时,半导体的电荷分布也会跟著改变。考虑一个p-type的半导体(电洞浓度为NA)形成的MOS电容,当一个正的电压VGB施加在栅极与基极端(如图)时,电洞的浓度会减少,电子的浓度会增加。当VGB够强时,接近栅极端的电子浓度会超过电洞。这个在p-type半导体中,电子浓度(带负电荷)超过电洞(带正电荷)浓度的区域,便是所谓的反转层(inversion layer)。
    MOS电容的特性决定了MOSFET的操作特性,但是一个完整的MOSFET结构还需要一个提供多数载子(majority carrier)的源极以及接受这些多数载子的漏极。
    MOSFET的结构
    一个NMOS晶体管的立体截面图左图是一个n-type MOSFET(以下简称NMOS)的截面图。如前所述,MOSFET的核心是位于中央的MOS电容,而左右两侧则是它的源极与漏极。源极与漏极的特性必须同为n-type(即NMOS)或是同为p-type(即PMOS)。右图NMOS的源极与漏极上标示的“N+”代表著两个意义:(1)N代表掺杂(doped)在源极与漏极区域的杂质极性为N;(2)“+”代表这个区域为高掺杂浓度区域(heavily doped region),也就是此区的电子浓度远高于其他区域。在源极与漏极之间被一个极性相反的区域隔开,也就是所谓的基极(或称基体)区域。如果是NMOS,那么其基体区的掺杂就是p-type。反之对PMOS而言,基体应该是n-type,而源极与漏极则为p-type(而且是重掺杂的P+)。基体的掺杂浓度不需要如源极或漏极那么高,故在右图中没有“+”。
    对这个NMOS而言,真正用来作为通道、让载子通过的只有MOS电容正下方半导体的表面区域。当一个正电压施加在栅极上,带负电的电子就会被吸引至表面,形成通道,让n-type半导体的多数载子—电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除,或是放上一个负电压,那么通道就无法形成,载子也无法在源极与漏极之间流动。
    假设操作的对象换成PMOS,那么源极与漏极为p-type、基体则是n-type。在PMOS的栅极上施加负电压,则半导体上的电洞会被吸引到表面形成通道,半导体的多数载子—电洞则可以从源极流向漏极。假设这个负电压被移除,或是加上正电压,那么通道无法形成,一样无法让载子在源极和漏极间流动。
    特别要说明的是,源极在MOSFET里的意思是“提供多数载子的来源”。对NMOS而言,多数载子是电子;对PMOS而言,多数载子是电洞。相对的,漏极就是接受多数载子的端点。
       MOSFET的操作模式
    NMOS的漏极电流与漏极电压之间在不同VGS − Vth的关系
    MOSFET在线性区操作的截面图
    MOSFET在饱和区操作的截面图依照在MOSFET的栅极、源极,与漏极等三个端点施加的“偏压”(bias)不同,一个常见的加强型(enhancement mode)n-type MOSFET有下列三种操作区间:
    截止或次临限区(cut-off or sub-threshold region)
    当栅极和源极间的电压VGS(G代表栅极,S代表源极)小于一个称为临界电压(threshold voltage, Vth)的值时,这个MOSFET是处在“截止”(cut-off)的状态,电流无法流过这个MOSFET,也就是这个MOSFET不导通。
    但事实上当VGS 在一些拥有大量MOSFET的积体电路产品,如DRAM,次临限电流往往会造成额外的能量或功率消耗。
    三极或线性区(triode or linear region)
    当VGS>Vth、且VDS [编辑] MOSFET在电子电路上应用的优势
    MOSFET在1960年由贝尔实验室(Bell Lab.)的D. Kahng和 Martin Atalla首次实作成功,这种元件的操作原理和1947年萧克莱(William Shockley)等人发明的双载子晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)截然不同,且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势,在大型积体电路(Large-Scale Integrated Circuits, LSI)或是超大型积体电路(Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI)的领域里,重要性远超过BJT。
    近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升,除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上,也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现,以下分别介绍这些应用。
    数位电路
    数位科技的进步,如微处理器运算效能不断提升,带给深入研发新一代MOSFET更多的动力,这也使得MOSFET本身的操作速度越来越快,几乎成为各种半导体主动元件中最快的一种。MOSFET在数位讯号处理上最主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明,这种结构最大的好处是理论上不会有静态的功率损耗,只有在逻辑门(logic gate)的切换动作时才有电流通过。CMOS逻辑门最基本的成员是CMOS反相器(inverter),而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样,同一时间内必定只有一种晶体管(NMOS或是PMOS)处在导通的状态下,另一种必定是截止状态,这使得从电源端到接地端不会有直接导通的路径,大量节省了电流或功率的消耗,也降低了积体电路的发热量。
    MOSFET在数位电路上应用的另外一大优势是对直流(DC)讯号而言,MOSFET的栅极端阻抗为无限大(等效于开路),也就是理论上不会有电流从MOSFET的栅极端流向电路里的接地点,而是完全由电压控制栅极的形式。这让MOSFET和他们最主要的竞争对手BJT相较之下更为省电,而且也更易于驱动。在CMOS逻辑电路里,除了负责驱动芯片外负载(off-chip load)的驱动器(driver)外,每一级的逻辑门都只要面对同样是MOSFET的栅极,如此一来较不需考虑逻辑门本身的驱动力。相较之下,BJT的逻辑电路(例如最常见的TTL)就没有这些优势。MOSFET的栅极输入电阻无限大对于电路设计工程师而言亦有其他优点,例如较不需考虑逻辑门输出端的负载效应(loading effect)。
    模拟电路
    有一段时间,MOSFET并非模拟电路设计工程师的首选,因为模拟电路设计重视的性能参数,如晶体管的转导(transconductance)或是电流的驱动力上,MOSFET不如BJT来得适合模拟电路的需求。但是随著MOSFET技术的不断演进,今日的CMOS技术也已经可以符合很多模拟电路的规格需求。再加上MOSFET因为结构的关系,没有BJT的一些致命缺点,如热破坏(thermal runaway)。另外,MOSFET在线性区的压控电阻特性亦可在积体电路里用来取代传统的多晶硅电阻(poly resistor),或是MOS电容本身可以用来取代常用的多晶硅—绝缘体—多晶硅电容(PIP capacitor),甚至在适当的电路控制下可以表现出电感(inductor)的特性,这些好处都是BJT很难提供的。也就是说,MOSFET除了扮演原本晶体管的角色外,也可以用来作为模拟电路中大量使用的被动元件(passive device)。这样的优点让采用MOSFET实现模拟电路不但可以满足规格上的需求,还可以有效缩小芯片的面积,降低生产成本。
    随著半导体制造技术的进步,对于整合更多功能至单一芯片的需求也跟著大幅提升,此时用MOSFET设计模拟电路的另外一个优点也随之浮现。为了减少在印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)上使用的积体电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积,很多原本独立的类比芯片与数位芯片被整合至同一个芯片内。MOSFET原本在数位积体电路上就有很大的竞争优势,在类比积体电路上也大量采用MOSFET之后,把这两种不同功能的电路整合起来的困难度也显著的下降。另外像是某些混合讯号电路(Mixed-signal circuits),如类比/数位转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC),也得以利用MOSFET技术设计出效能更好的产品。
    近年来还有一种整合MOSFET与BJT各自优点的制程技术:BiCMOS(Bipolar-CMOS)也越来越受欢迎。BJT元件在驱动大电流的能力上仍然比一般的CMOS优异,在可靠度方面也有一些优势,例如不容易被“静电放电”(ESD)破坏。所以很多同时需要复噪声号处理以及强大电流驱动能力的积体电路产品会使用BiCMOS技术来制作。
    MOSFET的尺寸缩放
    过去数十年来,MOSFET的尺寸不断地变小。早期的积体电路MOSFET制程里,通道长度约在几个微米(micrometer)的等级。但是到了今日的积体电路制程,这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。2006年初,Intel开始以65纳米(nanometer)的技术来制造新一代的微处理器,实际的元件通道长度可能比这个数字还小一些。至90年代末,MOSFET尺寸不断缩小,让积体电路的效能大大提升,而从历史的角度来看,这些技术上的突破和半导体制程的进步有著密不可分的关系。
    为何要把MOSFET的尺寸缩小
    基于以下几个理由,我们希望MOSFET的尺寸能越小越好。第一,越小的MOSFET象征其通道长度减少,让通道的等效电阻也减少,可以让更多电流通过。虽然通道宽度也可能跟著变小而让通道等效电阻变大,但是如果能降低单位电阻的大小,那么这个问题就可以解决。其次,MOSFET的尺寸变小意味著栅极面积减少,如此可以降低等效的栅极电容。此外,越小的栅极通常会有更薄的栅极氧化层,这可以让前面提到的通道单位电阻值降低。不过这样的改变同时会让栅极电容反而变得较大,但是和减少的通道电阻相比,获得的好处仍然多过坏处,而MOSFET在尺寸缩小后的切换速度也会因为上面两个因素加总而变快。第三个理由是MOSFET的面积越小,制造芯片的成本就可以降低,在同样的封装里可以装下更高密度的芯片。一片积体电路制程使用的晶圆尺寸是固定的,所以如果芯片面积越小,同样大小的晶圆就可以产出更多的芯片,于是成本就变得更低了。
    虽然MOSFET尺寸缩小可以带来很多好处,但同时也有很多负面效应伴随而来。
    MOSFET的尺寸缩小后出现的困难
    把MOSFET的尺寸缩小到一微米以下对于半导体制程而言是个挑战,不过现在的新挑战多半来自尺寸越来越小的MOSFET元件所带来过去不曾出现的物理效应。
    次临限传导
    由于MOSFET栅极氧化层的厚度也不断减少,所以栅极电压的上限也随之变少,以免过大的电压造成栅极氧化层崩溃(breakdown)。为了维持同样的性能,MOSFET的临界电压也必须降低,但是这也造成了MOSFET越来越难以完全关闭。也就是说,足以造成MOSFET通道区发生弱反转的栅极电压会比从前更低,于是所谓的次临限电流(subthreshold current)造成的问题会比过去更严重,特别是今日的积体电路芯片所含有的晶体管数量剧增,在某些VLSI的芯片,次临限传导造成的功率消耗竟然占了总功率消耗的一半以上。
    不过反过来说,也有些电路设计会因为MOSFET的次临限传导得到好处,例如需要较高的转导/电流转换比(transconductance-to-current ratio)的电路里,利用次临限传导的MOSFET来达成目的的设计也颇为常见。
    芯片内部连接导线的寄生电容效应
    传统上,CMOS逻辑门的切换速度与其元件的栅极电容有关。但是当栅极电容随著MOSFET尺寸变小而减少,同样大小的芯片上可容纳更多晶体管时,连接这些晶体管的金属导线间产生的寄生电容效应就开始主宰逻辑门的切换速度。如何减少这些寄生电容,成了芯片效率能否向上突破的关键之一。
    芯片发热量增加
    当芯片上的晶体管数量大幅增加后,有一个无法避免的问题也跟著发生了,那就是芯片的发热量也大幅增加。一般的积体电路元件在高温下操作可能会导致切换速度受到影响,或是导致可靠度与寿命的问题。在一些发热量非常高的积体电路芯片如微处理器,目前需要使用外加的散热系统来缓和这个问题。
    在功率晶体管(Power MOSFET)的领域里,通道电阻常常会因为温度升高而跟著增加,这样也使得在元件中pn-接面(pn-junction)导致的功率损耗增加。假设外置的散热系统无法让功率晶体管的温度保持在够低的水平,很有可能让这些功率晶体管遭到热破坏(thermal runaway)的命运。
    栅极氧化层漏电流增加
    栅极氧化层随著MOSFET尺寸变小而越来越薄,目前主流的半导体制程中,甚至已经做出厚度仅有1.2纳米的栅极氧化层,大约等于5个原子叠在一起的厚度而已。在这种尺度下,所有的物理现象都在量子力学所规范的世界内,例如电子的穿隧效应(tunneling effect)。因为穿隧效应,有些电子有机会越过氧化层所形成的位能障壁(potential barrier)而产生漏电流,这也是今日积体电路芯片功耗的来源之一。
    为了解决这个问题,有一些介电常数比二氧化硅更高的物质被用在栅极氧化层中。例如铪(Hafnium)和锆(Zirconium)的金属氧化物(二氧化铪、二氧化锆)等高介电常数的物质均能有效降低栅极漏电流。栅极氧化层的介电常数增加后,栅极的厚度便能增加而维持一样的电容大小。而较厚的栅极氧化层又可以降低电子透过穿隧效应穿过氧化层的机率,进而降低漏电流。不过利用新材料制作的栅极氧化层也必须考虑其位能障壁的高度,因为这些新材料的传导带(conduction band)和价带(valence band)和半导体的传导带与价带的差距比二氧化硅小(二氧化硅的传导带和硅之间的高度差约为8ev),所以仍然有可能导致栅极漏电流出现。
    制程变异更难掌控
    现代的半导体制程工序复杂而繁多,任何一道制程都有可能造成积体电路芯片上的元件产生些微变异。当MOSFET等元件越做越小,这些变异所占的比例就可能大幅提升,进而影响电路设计者所预期的效能,这样的变异让电路设计者的工作变得更为困难。
    MOSFET的栅极材料
    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。目前MOSFET使用多晶硅作为的理由如下:
    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。
    不过多晶硅虽然在过去二十年是制造MOSFET栅极的标准,但也有若干缺点使得未来仍然有部份MOSFET可能使用金属栅极,这些缺点如下:
    1. 多晶硅导电性不如金属,限制了讯号传递的速度。虽然可以利用掺杂的方式改善其导电性,但成效仍然有限。目前有些融点比较高的金属材料如:钨(Tungsten)、钛(Titanium)、钴(Cobalt)或是镍(Nickel)被用来和多晶硅制成合金。这类混合材料通常称为金属硅化物(silicide)。加上了金属硅化物的多晶硅栅极有著比较好的导电特性,而且又能够耐受高温制程。此外因为金属硅化物的位置是在栅极表面,离通道区较远,所以也不会对MOSFET的临界电压造成太大影响。
    在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自我对准金属硅化物制程”(Self-Aligned Silicide),通常简称salicide制程。
    2. 当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时,例如现在的制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度,一种过去没有发现的现象也随之产生,这种现象称为“多晶硅空乏”。当MOSFET的反转层形成时,有多晶硅空乏现象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处,会出现一个空乏层(depletion layer),影响MOSFET导通的特性。要解决这种问题,金属栅极是最好的方案。目前可行的材料包括钽(Tantalum)、钨、氮化钽(Tantalum Nitride),或是氮化钛(Titalium Nitride)。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一起构成MOS电容。另外一种解决方案是将多晶硅完全的合金化,称为FUSI(FUlly-SIlicide polysilicon gate)制程。
    各种常见的MOSFET技术
    双栅极MOSFET
    双栅极(dual-gate)MOSFET通常用在射频(Radio Frequency, RF)积体电路中,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。
    空乏式MOSFET
    一般而言,空乏式(depletion mode)MOSFET比前述的加强式(enhancement mode)MOSFET少见。空乏式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。空乏式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。
    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。
    功率MOSFET
    功率晶体管单元的截面图。通常一个市售的功率晶体管都包含了数千个这样的单元。主条目:功率晶体管
    功率MOSFET和前述的MOSFET元件在结构上就有著显著的差异。一般积体电路里的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-type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。
    值得一提的是采用平面式结构的功率MOSFET也并非不存在,这类元件主要用在高级的音响放大器中。平面式的功率MOSFET在饱和区的特性比垂直结构的对手更好。垂直式功率MOSFET则多半用来做开关切换之用,取其导通电阻(turn-on resistance)非常小的优点。
    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。
    以MOSFET实现类比开关
    MOSFET在导通时的通道电阻低,而截止时的电阻近乎无限大,所以适合作为类比讯号的开关(讯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,因为讯号可以从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开关能传输的讯号会受到其栅极—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。
    MOSFET开关的应用范围很广,举凡需要用到取样持有电路(sample-and-hold circuits)或是截波电路(chopper circuits)的设计,例如类比数位转换器(A/D converter)或是切换电容滤波器(switch-capacitor filter)上都可以见到MOSFET开关的踪影。
    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),这个值通常不是讯号原本的电压振幅,也就是说单一MOSFET开关会有让讯号振幅变小、讯号失真的缺点。
    双重MOSFET(CMOS)开关
    为了改善前述单一MOSFET开关造成讯号失真的缺点,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,减少讯号失真。

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