MOSFET/场效应管
金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 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（field-effect transistor）。 MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称上包括NMOS、PMOS等。
结构
上图是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，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，这样，相当于D与S之间有一个PN结。
上图是常见的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。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。
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。
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电容器的两个极板，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。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，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系，如图3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4所示，它的转移特性如图5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。
概述
从名字表面的角度来看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，随后MOSFET栅极使用多晶硅取代了金属。在处理器中，多晶硅栅已经不是主流技术，从英特尔采用45纳米线宽的P1266处理器开始，栅极开始重新使用金属。
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型，那么通道也会是N型。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。
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型的半导体（空穴浓度为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，空穴的浓度会减少，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空穴。这个在P型半导体中，电子浓度（带负电荷）超过空穴（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流子（majority carrier）的源极以及接受这些多数载流子的漏极。
结构
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型（即NMOS）或是同为P型（即PMOS）。NMOS的源极与漏极上标示的“N+”代表著两个意义：⑴N代表掺杂（doped）在源极与漏极区域的杂质极性为N；⑵“+”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型。反之对PMOS而言，基体应该是N型，而源极与漏极则为P型（而且是重（读作zhong）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、让载流子通过的只有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型半导体的多数载流子—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，载流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型、基体则是N型。在PMOS的栅极上施加负电压，则半导体上的空穴会被吸引到表面形成通道，半导体的多数载流子—空穴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，一样无法让载流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“提供多数载流子的来源”。对NMOS而言，多数载流子是电子；对PMOS而言，多数载流子是空穴。相对的，漏极就是接受多数载流子的端点。
主要参数
场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：
1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。
2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。
3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。
4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。
5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM。
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）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。
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“常闭型”（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MOSFET和前述的MOSFET元件在结构上就有著显著的差异。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。
功率MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面
当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
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MOSFET更好。垂直式功率MOSFET则取其导通电阻（turn-on resistance）非常小的优点，多半用来做开关切换之用。
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。
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。
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。
对比
Power MOSFET全称功率场效应晶体管。它的三个极分别是源极（S）、漏极（D）和栅极（G）。主要优点：热稳定性好、安全工作区大。缺点：击穿电压低，工作电流小。IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR（功率晶管）相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C）、发射极（E）和栅极(G）。特点：击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。
