MOSFET
來源：作者：小哈皮日期：2014-12-05 15:38:26點擊：7160次
金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱全氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
MOSFET的工作原理
要使增強型N溝道MOSFET工作，要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。如圖3所示（上面↑）。
若先不接VGS(即VGS＝0)，在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結處于反向，因此漏源之間不能導電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時可以將柵極與襯底看作電容器的兩個極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質。當加上VGS時，在絕緣層和柵極界面上感應出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應出負電荷(如圖3)。這層感應的負電荷和P型襯底中的多數載流子(空穴)的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區連接起來形成導電溝道。當VGS電壓太低時，感應出來的負電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時，漏源之間仍然無電流ID。當VGS增加到一定值時，其感應的負電荷把兩個分離的N區溝通形成N溝道，這個臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓)，用符號VT表示(一般規定在ID＝10uA時的VGS作為VT)。當VGS繼續增大，負電荷增加，導電溝道擴大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線性關系，如圖4所示。此曲線稱為轉換特性。因此在一定范圍內可以認為，改變VGS來控制漏源之間的電阻，達到控制ID的作用。由于這種結構在VGS＝0時，ID＝0，稱這種MOSFET為增強型。另一類MOSFET，在VGS＝0時也有一定的ID(稱為IDSS)，這種MOSFET稱為耗盡型。它的結構如圖5所示，它的轉移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓(ID＝0)。
耗盡型與增強型主要區別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應出較多的負電荷，即在兩個N型區中間的P型硅內形成一N型硅薄層而形成一導電溝道，所以在VGS＝0時，有VDS作用時也有一定的ID(IDSS)；當VGS有電壓時(可以是正電壓或負電壓)，改變感應的負電荷數量，從而改變ID的大小。VP為ID＝0時的-VGS，稱為夾斷電壓。
若先不接VGS(即VGS＝0)，在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結處于反向，因此漏源之間不能導電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時可以將柵極與襯底看作電容器的兩個極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質。當加上VGS時，在絕緣層和柵極界面上感應出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應出負電荷(如圖3)。這層感應的負電荷和P型襯底中的多數載流子(空穴)的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區連接起來形成導電溝道。當VGS電壓太低時，感應出來的負電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時，漏源之間仍然無電流ID。當VGS增加到一定值時，其感應的負電荷把兩個分離的N區溝通形成N溝道，這個臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓)，用符號VT表示(一般規定在ID＝10uA時的VGS作為VT)。當VGS繼續增大，負電荷增加，導電溝道擴大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線性關系，如圖4所示。此曲線稱為轉換特性。因此在一定范圍內可以認為，改變VGS來控制漏源之間的電阻，達到控制ID的作用。由于這種結構在VGS＝0時，ID＝0，稱這種MOSFET為增強型。另一類MOSFET，在VGS＝0時也有一定的ID(稱為IDSS)，這種MOSFET稱為耗盡型。它的結構如圖5所示，它的轉移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓(ID＝0)。
耗盡型與增強型主要區別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應出較多的負電荷，即在兩個N型區中間的P型硅內形成一N型硅薄層而形成一導電溝道，所以在VGS＝0時，有VDS作用時也有一定的ID(IDSS)；當VGS有電壓時(可以是正電壓或負電壓)，改變感應的負電荷數量，從而改變ID的大小。VP為ID＝0時的-VGS，稱為夾斷電壓。
MOSFET的結構
圖1是典型平面N溝道增強型MOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導體材料作襯底(圖la)，在其面上擴散了兩個N型區(圖lb)，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiQ2)絕緣層(圖lc)，最后在N區上方用腐蝕的方法做成兩個孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內做成三個電極：G(柵極)、S(源極)及D(漏極)，如圖1d所示。 從圖1中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個PN結。一般情況下，襯底與源極在內部連接在一起。
圖1是N溝道增強型MOSFET的基本結構圖。為了改善某些參數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等有不同的結構及工藝，構成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結構。圖2是一種N溝道增強型功率MOSFET的結構圖。雖然有不同的結構，但其工作原理是相同的，這里就不一一介紹了。
詳細信息與相關發展
目前的角度來看MOSFET的命名，事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET里代表“metal”的第一個字母M在當下大部分同類的元件里是不存在的。早期MOSFET的柵極（gate electrode）使用金屬作為其材料，但隨著半導體技術的進步，現代的MOSFET柵極早已用多晶硅取代了金屬。
MOSFET在概念上屬于“絕緣柵極場效晶體管”（Insulated-Gate Field Effect Transistor, IGFET），而IGFET的柵極絕緣層有可能是其他物質而非MOSFET使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場效晶體管元件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是MOSFET。
MOSFET里的氧化層位于其通道上方，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，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide, SiO2），不過有些新的進階制程已經可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。
今日半導體元件的材料通常以硅（silicon）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制程，當中最著名的例如IBM使用硅與鍺（germanium）的混合物所發展的硅鍺制程（silicon-germanium process, 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（gallium arsenide, GaAs），因為無法在表面長出品質夠好的氧化層，所以無法用來制造MOSFET元件。
當一個夠大的電位差施于MOSFET的柵極與源極（source）之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時所謂的“反型層”（inversion channel）就會形成。通道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設漏極和源極是n-type，那么通道也會是n-type。通道形成后，MOSFET即可讓電流通過，而依據施于柵極的電壓值不同，可由MOSFET的通道流過的電流大小亦會受其控制而改變。
電路符號
常用于MOSFET的電路符號有很多種變化，最常見的設計是以一條直線代表通道，兩條和通道垂直的線代表源極與漏極，左方和通道平行而且較短的線代表柵極，如下圖所示。有時也會將代表通道的直線以破折線代替，以區分增強型MOSFET（enhancement mode MOSFET）或是耗盡型MOSFET（depletion mode MOSFET）。
由于積體電路芯片上的MOSFET為四端元件，所以除了柵極、源極、漏極外，尚有一基極（Bulk或是Body）。MOSFET電路符號中，從通道往右延伸的箭號方向則可表示此元件為n-type或是p-type的MOSFET。箭頭方向永遠從P端指向N端，所以箭頭從通道指向基極端的為p-type的MOSFET，或簡稱PMOS（代表此元件的通道為p-type）；反之若箭頭從基極指向通道，則代表基極為p-type，而通道為n-type，此元件為n-type的MOSFET，簡稱NMOS。在一般分布式 MOSFET元件（discrete device）中，通常把基極和源極接在一起，故分布式MOSFET通常為三端元件。而在積體電路中的MOSFET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。
MOSFET的操作原理
MOSFET的核心：金屬—氧化層—半導體電容
金屬—氧化層—半導體結構MOSFET在結構上以一個金屬—氧化層—半導體的電容為核心（如前所述，今日的MOSFET多半以多晶硅取代金屬作為其柵極材料），氧化層的材料多半是二氧化硅，其下是作為基極的硅，而其上則是作為柵極的多晶硅。這樣子的結構正好等于一個電容器（capacitor），氧化層扮演電容器中介電質（dielectric material）的角色，而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數（dielectric constant）來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為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-type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MOSFET的操作特性，但是一個完整的MOSFET結構還需要一個提供多數載子（majority carrier）的源極以及接受這些多數載子的漏極。
MOSFET的結構
一個NMOS晶體管的立體截面圖左圖是一個n-type MOSFET（以下簡稱NMOS）的截面圖。如前所述，MOSFET的核心是位于中央的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）。右圖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于其他區域。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，故在右圖中沒有“+”。
對這個NMOS而言，真正用來作為通道、讓載子通過的只有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，形成通道，讓n-type半導體的多數載子—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，那么通道就無法形成，載子也無法在源極與漏極之間流動。
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，則半導體上的電洞會被吸引到表面形成通道，半導體的多數載子—電洞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，那么通道無法形成，一樣無法讓載子在源極和漏極間流動。
特別要說明的是，源極在MOSFET里的意思是“提供多數載子的來源”。對NMOS而言，多數載子是電子；對PMOS而言，多數載子是電洞。相對的，漏極就是接受多數載子的端點。
MOSFET的操作模式
NMOS的漏極電流與漏極電壓之間在不同VGS − Vth的關系
MOSFET在線性區操作的截面圖
MOSFET在飽和區操作的截面圖依照在MOSFET的柵極、源極，與漏極等三個端點施加的“偏壓”（bias）不同，一個常見的加強型（enhancement mode）n-type MOSFET有下列三種操作區間：
截止或次臨限區（cut-off or sub-threshold region）
當柵極和源極間的電壓VGS（G代表柵極，S代表源極）小于一個稱為臨界電壓（threshold voltage, Vth）的值時，這個MOSFET是處在“截止”（cut-off）的狀態，電流無法流過這個MOSFET，也就是這個MOSFET不導通。
但事實上當VGS 在一些擁有大量MOSFET的積體電路產品，如DRAM，次臨限電流往往會造成額外的能量或功率消耗。
三極或線性區（triode or linear region）
當VGS>Vth、且VDS [編輯] MOSFET在電子電路上應用的優勢
MOSFET在1960年由貝爾實驗室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實作成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發明的雙載子晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優勢，在大型積體電路（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的領域里，重要性遠超過BJT。
近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統上應用于諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實現，以下分別介紹這些應用。
數位電路
數位科技的進步，如微處理器運算效能不斷提升，帶給深入研發新一代MOSFET更多的動力，這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導體主動元件中最快的一種。MOSFET在數位訊號處理上最主要的成功來自CMOS邏輯電路的發明，這種結構最大的好處是理論上不會有靜態的功率損耗，只有在邏輯門（logic gate）的切換動作時才有電流通過。CMOS邏輯門最基本的成員是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣，同一時間內必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導通的狀態下，另一種必定是截止狀態，這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑，大量節省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發熱量。
MOSFET在數位電路上應用的另外一大優勢是對直流（DC）訊號而言，MOSFET的柵極端阻抗為無限大（等效于開路），也就是理論上不會有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點，而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓MOSFET和他們最主要的競爭對手BJT相較之下更為省電，而且也更易于驅動。在CMOS邏輯電路里，除了負責驅動芯片外負載（off-chip load）的驅動器（driver）外，每一級的邏輯門都只要面對同樣是MOSFET的柵極，如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅動力。相較之下，BJT的邏輯電路（例如最常見的TTL）就沒有這些優勢。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對于電路設計工程師而言亦有其他優點，例如較不需考慮邏輯門輸出端的負載效應（loading effect）。
模擬電路
有一段時間，MOSFET并非模擬電路設計工程師的首選，因為模擬電路設計重視的性能參數，如晶體管的轉導（transconductance）或是電流的驅動力上，MOSFET不如BJT來得適合模擬電路的需求。但是隨著MOSFET技術的不斷演進，今日的CMOS技術也已經可以符合很多模擬電路的規格需求。再加上MOSFET因為結構的關系，沒有BJT的一些致命缺點，如熱破壞（thermal runaway）。另外，MOSFET在線性區的壓控電阻特性亦可在積體電路里用來取代傳統的多晶硅電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容（PIP capacitor），甚至在適當的電路控制下可以表現出電感（inductor）的特性，這些好處都是BJT很難提供的。也就是說，MOSFET除了扮演原本晶體管的角色外，也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動元件（passive device）。這樣的優點讓采用MOSFET實現模擬電路不但可以滿足規格上的需求，還可以有效縮小芯片的面積，降低生產成本。
隨著半導體制造技術的進步，對于整合更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升，此時用MOSFET設計模擬電路的另外一個優點也隨之浮現。為了減少在印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）上使用的積體電路數量、減少封裝成本與縮小系統的體積，很多原本獨立的類比芯片與數位芯片被整合至同一個芯片內。MOSFET原本在數位積體電路上就有很大的競爭優勢，在類比積體電路上也大量采用MOSFET之后，把這兩種不同功能的電路整合起來的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合訊號電路（Mixed-signal circuits），如類比/數位轉換器（Analog-to-Digital Converter, ADC），也得以利用MOSFET技術設計出效能更好的產品。
近年來還有一種整合MOSFET與BJT各自優點的制程技術：BiCMOS（Bipolar-CMOS）也越來越受歡迎。BJT元件在驅動大電流的能力上仍然比一般的CMOS優異，在可靠度方面也有一些優勢，例如不容易被“靜電放電”（ESD）破壞。所以很多同時需要復噪聲號處理以及強大電流驅動能力的積體電路產品會使用BiCMOS技術來制作。
MOSFET的尺寸縮放
過去數十年來，MOSFET的尺寸不斷地變小。早期的積體電路MOSFET制程里，通道長度約在幾個微米（micrometer）的等級。但是到了今日的積體電路制程，這個參數已經縮小了幾十倍甚至超過一百倍。2006年初，Intel開始以65納米（nanometer）的技術來制造新一代的微處理器，實際的元件通道長度可能比這個數字還小一些。至90年代末，MOSFET尺寸不斷縮小，讓積體電路的效能大大提升，而從歷史的角度來看，這些技術上的突破和半導體制程的進步有著密不可分的關系。
為何要把MOSFET的尺寸縮小
基于以下幾個理由，我們希望MOSFET的尺寸能越小越好。第一，越小的MOSFET象征其通道長度減少，讓通道的等效電阻也減少，可以讓更多電流通過。雖然通道寬度也可能跟著變小而讓通道等效電阻變大，但是如果能降低單位電阻的大小，那么這個問題就可以解決。其次，MOSFET的尺寸變小意味著柵極面積減少，如此可以降低等效的柵極電容。此外，越小的柵極通常會有更薄的柵極氧化層，這可以讓前面提到的通道單位電阻值降低。不過這樣的改變同時會讓柵極電容反而變得較大，但是和減少的通道電阻相比，獲得的好處仍然多過壞處，而MOSFET在尺寸縮小后的切換速度也會因為上面兩個因素加總而變快。第三個理由是MOSFET的面積越小，制造芯片的成本就可以降低，在同樣的封裝里可以裝下更高密度的芯片。一片積體電路制程使用的晶圓尺寸是固定的，所以如果芯片面積越小，同樣大小的晶圓就可以產出更多的芯片，于是成本就變得更低了。
雖然MOSFET尺寸縮小可以帶來很多好處，但同時也有很多負面效應伴隨而來。
MOSFET的尺寸縮小后出現的困難
把MOSFET的尺寸縮小到一微米以下對于半導體制程而言是個挑戰，不過現在的新挑戰多半來自尺寸越來越小的MOSFET元件所帶來過去不曾出現的物理效應。
次臨限傳導
由于MOSFET柵極氧化層的厚度也不斷減少，所以柵極電壓的上限也隨之變少，以免過大的電壓造成柵極氧化層崩潰（breakdown）。為了維持同樣的性能，MOSFET的臨界電壓也必須降低，但是這也造成了MOSFET越來越難以完全關閉。也就是說，足以造成MOSFET通道區發生弱反轉的柵極電壓會比從前更低，于是所謂的次臨限電流（subthreshold current）造成的問題會比過去更嚴重，特別是今日的積體電路芯片所含有的晶體管數量劇增，在某些VLSI的芯片，次臨限傳導造成的功率消耗竟然占了總功率消耗的一半以上。
不過反過來說，也有些電路設計會因為MOSFET的次臨限傳導得到好處，例如需要較高的轉導/電流轉換比（transconductance-to-current ratio）的電路里，利用次臨限傳導的MOSFET來達成目的的設計也頗為常見。
芯片內部連接導線的寄生電容效應
傳統上，CMOS邏輯門的切換速度與其元件的柵極電容有關。但是當柵極電容隨著MOSFET尺寸變小而減少，同樣大小的芯片上可容納更多晶體管時，連接這些晶體管的金屬導線間產生的寄生電容效應就開始主宰邏輯門的切換速度。如何減少這些寄生電容，成了芯片效率能否向上突破的關鍵之一。
芯片發熱量增加
當芯片上的晶體管數量大幅增加后，有一個無法避免的問題也跟著發生了，那就是芯片的發熱量也大幅增加。一般的積體電路元件在高溫下操作可能會導致切換速度受到影響，或是導致可靠度與壽命的問題。在一些發熱量非常高的積體電路芯片如微處理器，目前需要使用外加的散熱系統來緩和這個問題。
在功率晶體管（Power MOSFET）的領域里，通道電阻常常會因為溫度升高而跟著增加，這樣也使得在元件中pn-接面（pn-junction）導致的功率損耗增加。假設外置的散熱系統無法讓功率晶體管的溫度保持在夠低的水平，很有可能讓這些功率晶體管遭到熱破壞（thermal runaway）的命運。
柵極氧化層漏電流增加
柵極氧化層隨著MOSFET尺寸變小而越來越薄，目前主流的半導體制程中，甚至已經做出厚度僅有1.2納米的柵極氧化層，大約等于5個原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下，所有的物理現象都在量子力學所規范的世界內，例如電子的穿隧效應（tunneling effect）。因為穿隧效應，有些電子有機會越過氧化層所形成的位能障壁（potential barrier）而產生漏電流，這也是今日積體電路芯片功耗的來源之一。
為了解決這個問題，有一些介電常數比二氧化硅更高的物質被用在柵極氧化層中。例如鉿（Hafnium）和鋯（Zirconium）的金屬氧化物（二氧化鉿、二氧化鋯）等高介電常數的物質均能有效降低柵極漏電流。柵極氧化層的介電常數增加后，柵極的厚度便能增加而維持一樣的電容大小。而較厚的柵極氧化層又可以降低電子透過穿隧效應穿過氧化層的機率，進而降低漏電流。不過利用新材料制作的柵極氧化層也必須考慮其位能障壁的高度，因為這些新材料的傳導帶（conduction band）和價帶（valence band）和半導體的傳導帶與價帶的差距比二氧化硅小（二氧化硅的傳導帶和硅之間的高度差約為8ev），所以仍然有可能導致柵極漏電流出現。
制程變異更難掌控
現代的半導體制程工序復雜而繁多，任何一道制程都有可能造成積體電路芯片上的元件產生些微變異。當MOSFET等元件越做越小，這些變異所占的比例就可能大幅提升，進而影響電路設計者所預期的效能，這樣的變異讓電路設計者的工作變得更為困難。
MOSFET的柵極材料
理論上MOSFET的柵極應該盡可能選擇電性良好的導體，多晶硅在經過重摻雜之后的導電性可以用在MOSFET的柵極上，但是并非完美的選擇。目前MOSFET使用多晶硅作為的理由如下：
1. MOSFET的臨界電壓（threshold voltage）主要由柵極與通道材料的功函數（work function）之間的差異來決定，而因為多晶硅本質上是半導體，所以可以藉由摻雜不同極性的雜質來改變其功函數。更重要的是，因為多晶硅和底下作為通道的硅之間能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的臨界電壓時可以藉由直接調整多晶硅的功函數來達成需求。反過來說，金屬材料的功函數并不像半導體那么易于改變，如此一來要降低MOSFET的臨界電壓就變得比較困難。而且如果想要同時降低PMOS和NMOS的臨界電壓，將需要兩種不同的金屬分別做其柵極材料，對于制程又是一個很大的變量。
2. 硅—二氧化硅接面經過多年的研究，已經證實這兩種材料之間的缺陷（defect）是相對而言比較少的。反之，金屬—絕緣體接面的缺陷多，容易在兩者之間形成很多表面能階，大為影響元件的特性。
3. 多晶硅的融點比大多數的金屬高，而在現代的半導體制程中習慣在高溫下沉積柵極材料以增進元件效能。金屬的融點低，將會影響制程所能使用的溫度上限。
不過多晶硅雖然在過去二十年是制造MOSFET柵極的標準，但也有若干缺點使得未來仍然有部份MOSFET可能使用金屬柵極，這些缺點如下：
1. 多晶硅導電性不如金屬，限制了訊號傳遞的速度。雖然可以利用摻雜的方式改善其導電性，但成效仍然有限。目前有些融點比較高的金屬材料如：鎢（Tungsten）、鈦（Titanium）、鈷（Cobalt）或是鎳（Nickel）被用來和多晶硅制成合金。這類混合材料通常稱為金屬硅化物（silicide）。加上了金屬硅化物的多晶硅柵極有著比較好的導電特性，而且又能夠耐受高溫制程。此外因為金屬硅化物的位置是在柵極表面，離通道區較遠，所以也不會對MOSFET的臨界電壓造成太大影響。
在柵極、源極與漏極都鍍上金屬硅化物的制程稱為“自我對準金屬硅化物制程”（Self-Aligned Silicide），通常簡稱salicide制程。
2. 當MOSFET的尺寸縮的非常小、柵極氧化層也變得非常薄時，例如現在的制程可以把氧化層縮到一納米左右的厚度，一種過去沒有發現的現象也隨之產生，這種現象稱為“多晶硅空乏”。當MOSFET的反轉層形成時，有多晶硅空乏現象的MOSFET柵極多晶硅靠近氧化層處，會出現一個空乏層（depletion layer），影響MOSFET導通的特性。要解決這種問題，金屬柵極是最好的方案。目前可行的材料包括鉭（Tantalum）、鎢、氮化鉭（Tantalum Nitride），或是氮化鈦（Titalium Nitride）。這些金屬柵極通常和高介電常數物質形成的氧化層一起構成MOS電容。另外一種解決方案是將多晶硅完全的合金化，稱為FUSI（FUlly-SIlicide polysilicon gate）制程。
各種常見的MOSFET技術
雙柵極MOSFET
雙柵極（dual-gate）MOSFET通常用在射頻（Radio Frequency, RF）積體電路中，這種MOSFET的兩個柵極都可以控制電流大小。在射頻電路的應用上，雙柵極MOSFET的第二個柵極大多數用來做增益、混頻器或是頻率轉換的控制。
空乏式MOSFET
一般而言，空乏式（depletion mode）MOSFET比前述的加強式（enhancement mode）MOSFET少見。空乏式MOSFET在制造過程中改變摻雜到通道的雜質濃度，使得這種MOSFET的柵極就算沒有加電壓，通道仍然存在。如果想要關閉通道，則必須在柵極施加負電壓。空乏式MOSFET最大的應用是在“常關型”（normally-off）的開關，而相對的，加強式MOSFET則用在“常開型”（normally-on）的開關上。
NMOS邏輯
同樣驅動能力的NMOS通常比PMOS所占用的面積小，因此如果只在邏輯門的設計上使用NMOS的話也能縮小芯片面積。不過NMOS邏輯雖然占的面積小，卻無法像CMOS邏輯一樣做到不消耗靜態功率，因此在1980年代中期后已經漸漸退出市場。
功率MOSFET
功率晶體管單元的截面圖。通常一個市售的功率晶體管都包含了數千個這樣的單元。主條目：功率晶體管
功率MOSFET和前述的MOSFET元件在結構上就有著顯著的差異。一般積體電路里的MOSFET都是平面式（planar）的結構，晶體管內的各端點都離芯片表面只有幾個微米的距離。而所有的功率元件都是垂直式（vertical）的結構，讓元件可以同時承受高電壓與高電流的工作環境。一個功率MOSFET能耐受的電壓是雜質摻雜濃度與n-type磊晶層（epitaxial layer）厚度的函數，而能通過的電流則和元件的通道寬度有關，通道越寬則能容納越多電流。對于一個平面結構的MOSFET而言，能承受的電流以及崩潰電壓的多寡都和其通道的長寬大小有關。對垂直結構的MOSFET來說，元件的面積和其能容納的電流成大約成正比，磊晶層厚度則和其崩潰電壓成正比。
值得一提的是采用平面式結構的功率MOSFET也并非不存在，這類元件主要用在高級的音響放大器中。平面式的功率MOSFET在飽和區的特性比垂直結構的對手更好。垂直式功率MOSFET則多半用來做開關切換之用，取其導通電阻（turn-on resistance）非常小的優點。
DMOS
DMOS是雙重擴散MOSFET（double-Diffused MOSFET）的縮寫，它主要用于高壓，屬于高壓MOS管范疇。
以MOSFET實現類比開關
MOSFET在導通時的通道電阻低，而截止時的電阻近乎無限大，所以適合作為類比訊號的開關（訊號的能量不會因為開關的電阻而損失太多）。MOSFET作為開關時，其源極與漏極的分別和其他的應用是不太相同的，因為訊號可以從MOSFET柵極以外的任一端進出。對NMOS開關而言，電壓最負的一端就是源極，PMOS則正好相反，電壓最正的一端是源極。MOSFET開關能傳輸的訊號會受到其柵極—源極、柵極—漏極，以及漏極到源極的電壓限制，如果超過了電壓的上限可能會導致MOSFET燒毀。
MOSFET開關的應用范圍很廣，舉凡需要用到取樣持有電路（sample-and-hold circuits）或是截波電路（chopper circuits）的設計，例如類比數位轉換器（A/D converter）或是切換電容濾波器（switch-capacitor filter）上都可以見到MOSFET開關的蹤影。
單一MOSFET開關
當NMOS用來做開關時，其基極接地，柵極為控制開關的端點。當柵極電壓減去源極電壓超過其導通的臨界電壓時，此開關的狀態為導通。柵極電壓繼續升高，則NMOS能通過的電流就更大。NMOS做開關時操作在線性區，因為源極與漏極的電壓在開關為導通時會趨向一致。
PMOS做開關時，其基極接至電路里電位最高的地方，通常是電源。柵極的電壓比源極低、超過其臨界電壓時，PMOS開關會打開。
NMOS開關能容許通過的電壓上限為（Vgate-Vthn），而PMOS開關則為（Vgate+Vthp），這個值通常不是訊號原本的電壓振幅，也就是說單一MOSFET開關會有讓訊號振幅變小、訊號失真的缺點。
雙重MOSFET（CMOS）開關
為了改善前述單一MOSFET開關造成訊號失真的缺點，于是使用一個PMOS加上一個NMOS的CMOS開關成為目前最普遍的做法。CMOS開關將PMOS與NMOS的源極與漏極分別連接在一起，而基極的接法則和NMOS與PMOS的傳統接法相同。當輸入電壓在（VDD-Vthn）和（VSS+Vthp）時，PMOS與NMOS都導通，而輸入小于（VSS+Vthp）時，只有NMOS導通，輸入大于（VDD-Vthn）時只有PMOS導通。這樣做的好處是在大部分的輸入電壓下，PMOS與NMOS皆同時導通，如果任一邊的導通電阻上升，則另一邊的導通電阻就會下降，所以開關的電阻幾乎可以保持定值，減少訊號失真。
MOSFET里的氧化層位于其通道上方，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，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide, SiO2），不過有些新的進階制程已經可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。
今日半導體元件的材料通常以硅（silicon）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制程，當中最著名的例如IBM使用硅與鍺（germanium）的混合物所發展的硅鍺制程（silicon-germanium process, 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（gallium arsenide, GaAs），因為無法在表面長出品質夠好的氧化層，所以無法用來制造MOSFET元件。
當一個夠大的電位差施于MOSFET的柵極與源極（source）之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時所謂的“反型層”（inversion channel）就會形成。通道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設漏極和源極是n-type，那么通道也會是n-type。通道形成后，MOSFET即可讓電流通過，而依據施于柵極的電壓值不同，可由MOSFET的通道流過的電流大小亦會受其控制而改變。
電路符號
常用于MOSFET的電路符號有很多種變化，最常見的設計是以一條直線代表通道，兩條和通道垂直的線代表源極與漏極，左方和通道平行而且較短的線代表柵極，如下圖所示。有時也會將代表通道的直線以破折線代替，以區分增強型MOSFET（enhancement mode MOSFET）或是耗盡型MOSFET（depletion mode MOSFET）。
由于積體電路芯片上的MOSFET為四端元件，所以除了柵極、源極、漏極外，尚有一基極（Bulk或是Body）。MOSFET電路符號中，從通道往右延伸的箭號方向則可表示此元件為n-type或是p-type的MOSFET。箭頭方向永遠從P端指向N端，所以箭頭從通道指向基極端的為p-type的MOSFET，或簡稱PMOS（代表此元件的通道為p-type）；反之若箭頭從基極指向通道，則代表基極為p-type，而通道為n-type，此元件為n-type的MOSFET，簡稱NMOS。在一般分布式 MOSFET元件（discrete device）中，通常把基極和源極接在一起，故分布式MOSFET通常為三端元件。而在積體電路中的MOSFET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。
MOSFET的操作原理
MOSFET的核心：金屬—氧化層—半導體電容
金屬—氧化層—半導體結構MOSFET在結構上以一個金屬—氧化層—半導體的電容為核心（如前所述，今日的MOSFET多半以多晶硅取代金屬作為其柵極材料），氧化層的材料多半是二氧化硅，其下是作為基極的硅，而其上則是作為柵極的多晶硅。這樣子的結構正好等于一個電容器（capacitor），氧化層扮演電容器中介電質（dielectric material）的角色，而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數（dielectric constant）來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為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-type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MOSFET的操作特性，但是一個完整的MOSFET結構還需要一個提供多數載子（majority carrier）的源極以及接受這些多數載子的漏極。
MOSFET的結構
一個NMOS晶體管的立體截面圖左圖是一個n-type MOSFET（以下簡稱NMOS）的截面圖。如前所述，MOSFET的核心是位于中央的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）。右圖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于其他區域。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，故在右圖中沒有“+”。
對這個NMOS而言，真正用來作為通道、讓載子通過的只有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，形成通道，讓n-type半導體的多數載子—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，那么通道就無法形成，載子也無法在源極與漏極之間流動。
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，則半導體上的電洞會被吸引到表面形成通道，半導體的多數載子—電洞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，那么通道無法形成，一樣無法讓載子在源極和漏極間流動。
特別要說明的是，源極在MOSFET里的意思是“提供多數載子的來源”。對NMOS而言，多數載子是電子；對PMOS而言，多數載子是電洞。相對的，漏極就是接受多數載子的端點。
MOSFET的操作模式
NMOS的漏極電流與漏極電壓之間在不同VGS − Vth的關系
MOSFET在線性區操作的截面圖
MOSFET在飽和區操作的截面圖依照在MOSFET的柵極、源極，與漏極等三個端點施加的“偏壓”（bias）不同，一個常見的加強型（enhancement mode）n-type MOSFET有下列三種操作區間：
截止或次臨限區（cut-off or sub-threshold region）
當柵極和源極間的電壓VGS（G代表柵極，S代表源極）小于一個稱為臨界電壓（threshold voltage, Vth）的值時，這個MOSFET是處在“截止”（cut-off）的狀態，電流無法流過這個MOSFET，也就是這個MOSFET不導通。
但事實上當VGS 在一些擁有大量MOSFET的積體電路產品，如DRAM，次臨限電流往往會造成額外的能量或功率消耗。
三極或線性區（triode or linear region）
當VGS>Vth、且VDS [編輯] MOSFET在電子電路上應用的優勢
MOSFET在1960年由貝爾實驗室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實作成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發明的雙載子晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優勢，在大型積體電路（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的領域里，重要性遠超過BJT。
近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統上應用于諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實現，以下分別介紹這些應用。
數位電路
數位科技的進步，如微處理器運算效能不斷提升，帶給深入研發新一代MOSFET更多的動力，這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導體主動元件中最快的一種。MOSFET在數位訊號處理上最主要的成功來自CMOS邏輯電路的發明，這種結構最大的好處是理論上不會有靜態的功率損耗，只有在邏輯門（logic gate）的切換動作時才有電流通過。CMOS邏輯門最基本的成員是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣，同一時間內必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導通的狀態下，另一種必定是截止狀態，這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑，大量節省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發熱量。
MOSFET在數位電路上應用的另外一大優勢是對直流（DC）訊號而言，MOSFET的柵極端阻抗為無限大（等效于開路），也就是理論上不會有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點，而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓MOSFET和他們最主要的競爭對手BJT相較之下更為省電，而且也更易于驅動。在CMOS邏輯電路里，除了負責驅動芯片外負載（off-chip load）的驅動器（driver）外，每一級的邏輯門都只要面對同樣是MOSFET的柵極，如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅動力。相較之下，BJT的邏輯電路（例如最常見的TTL）就沒有這些優勢。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對于電路設計工程師而言亦有其他優點，例如較不需考慮邏輯門輸出端的負載效應（loading effect）。
模擬電路
有一段時間，MOSFET并非模擬電路設計工程師的首選，因為模擬電路設計重視的性能參數，如晶體管的轉導（transconductance）或是電流的驅動力上，MOSFET不如BJT來得適合模擬電路的需求。但是隨著MOSFET技術的不斷演進，今日的CMOS技術也已經可以符合很多模擬電路的規格需求。再加上MOSFET因為結構的關系，沒有BJT的一些致命缺點，如熱破壞（thermal runaway）。另外，MOSFET在線性區的壓控電阻特性亦可在積體電路里用來取代傳統的多晶硅電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容（PIP capacitor），甚至在適當的電路控制下可以表現出電感（inductor）的特性，這些好處都是BJT很難提供的。也就是說，MOSFET除了扮演原本晶體管的角色外，也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動元件（passive device）。這樣的優點讓采用MOSFET實現模擬電路不但可以滿足規格上的需求，還可以有效縮小芯片的面積，降低生產成本。
隨著半導體制造技術的進步，對于整合更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升，此時用MOSFET設計模擬電路的另外一個優點也隨之浮現。為了減少在印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）上使用的積體電路數量、減少封裝成本與縮小系統的體積，很多原本獨立的類比芯片與數位芯片被整合至同一個芯片內。MOSFET原本在數位積體電路上就有很大的競爭優勢，在類比積體電路上也大量采用MOSFET之后，把這兩種不同功能的電路整合起來的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合訊號電路（Mixed-signal circuits），如類比/數位轉換器（Analog-to-Digital Converter, ADC），也得以利用MOSFET技術設計出效能更好的產品。
近年來還有一種整合MOSFET與BJT各自優點的制程技術：BiCMOS（Bipolar-CMOS）也越來越受歡迎。BJT元件在驅動大電流的能力上仍然比一般的CMOS優異，在可靠度方面也有一些優勢，例如不容易被“靜電放電”（ESD）破壞。所以很多同時需要復噪聲號處理以及強大電流驅動能力的積體電路產品會使用BiCMOS技術來制作。
MOSFET的尺寸縮放
過去數十年來，MOSFET的尺寸不斷地變小。早期的積體電路MOSFET制程里，通道長度約在幾個微米（micrometer）的等級。但是到了今日的積體電路制程，這個參數已經縮小了幾十倍甚至超過一百倍。2006年初，Intel開始以65納米（nanometer）的技術來制造新一代的微處理器，實際的元件通道長度可能比這個數字還小一些。至90年代末，MOSFET尺寸不斷縮小，讓積體電路的效能大大提升，而從歷史的角度來看，這些技術上的突破和半導體制程的進步有著密不可分的關系。
為何要把MOSFET的尺寸縮小
基于以下幾個理由，我們希望MOSFET的尺寸能越小越好。第一，越小的MOSFET象征其通道長度減少，讓通道的等效電阻也減少，可以讓更多電流通過。雖然通道寬度也可能跟著變小而讓通道等效電阻變大，但是如果能降低單位電阻的大小，那么這個問題就可以解決。其次，MOSFET的尺寸變小意味著柵極面積減少，如此可以降低等效的柵極電容。此外，越小的柵極通常會有更薄的柵極氧化層，這可以讓前面提到的通道單位電阻值降低。不過這樣的改變同時會讓柵極電容反而變得較大，但是和減少的通道電阻相比，獲得的好處仍然多過壞處，而MOSFET在尺寸縮小后的切換速度也會因為上面兩個因素加總而變快。第三個理由是MOSFET的面積越小，制造芯片的成本就可以降低，在同樣的封裝里可以裝下更高密度的芯片。一片積體電路制程使用的晶圓尺寸是固定的，所以如果芯片面積越小，同樣大小的晶圓就可以產出更多的芯片，于是成本就變得更低了。
雖然MOSFET尺寸縮小可以帶來很多好處，但同時也有很多負面效應伴隨而來。
MOSFET的尺寸縮小后出現的困難
把MOSFET的尺寸縮小到一微米以下對于半導體制程而言是個挑戰，不過現在的新挑戰多半來自尺寸越來越小的MOSFET元件所帶來過去不曾出現的物理效應。
次臨限傳導
由于MOSFET柵極氧化層的厚度也不斷減少，所以柵極電壓的上限也隨之變少，以免過大的電壓造成柵極氧化層崩潰（breakdown）。為了維持同樣的性能，MOSFET的臨界電壓也必須降低，但是這也造成了MOSFET越來越難以完全關閉。也就是說，足以造成MOSFET通道區發生弱反轉的柵極電壓會比從前更低，于是所謂的次臨限電流（subthreshold current）造成的問題會比過去更嚴重，特別是今日的積體電路芯片所含有的晶體管數量劇增，在某些VLSI的芯片，次臨限傳導造成的功率消耗竟然占了總功率消耗的一半以上。
不過反過來說，也有些電路設計會因為MOSFET的次臨限傳導得到好處，例如需要較高的轉導/電流轉換比（transconductance-to-current ratio）的電路里，利用次臨限傳導的MOSFET來達成目的的設計也頗為常見。
芯片內部連接導線的寄生電容效應
傳統上，CMOS邏輯門的切換速度與其元件的柵極電容有關。但是當柵極電容隨著MOSFET尺寸變小而減少，同樣大小的芯片上可容納更多晶體管時，連接這些晶體管的金屬導線間產生的寄生電容效應就開始主宰邏輯門的切換速度。如何減少這些寄生電容，成了芯片效率能否向上突破的關鍵之一。
芯片發熱量增加
當芯片上的晶體管數量大幅增加后，有一個無法避免的問題也跟著發生了，那就是芯片的發熱量也大幅增加。一般的積體電路元件在高溫下操作可能會導致切換速度受到影響，或是導致可靠度與壽命的問題。在一些發熱量非常高的積體電路芯片如微處理器，目前需要使用外加的散熱系統來緩和這個問題。
在功率晶體管（Power MOSFET）的領域里，通道電阻常常會因為溫度升高而跟著增加，這樣也使得在元件中pn-接面（pn-junction）導致的功率損耗增加。假設外置的散熱系統無法讓功率晶體管的溫度保持在夠低的水平，很有可能讓這些功率晶體管遭到熱破壞（thermal runaway）的命運。
柵極氧化層漏電流增加
柵極氧化層隨著MOSFET尺寸變小而越來越薄，目前主流的半導體制程中，甚至已經做出厚度僅有1.2納米的柵極氧化層，大約等于5個原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下，所有的物理現象都在量子力學所規范的世界內，例如電子的穿隧效應（tunneling effect）。因為穿隧效應，有些電子有機會越過氧化層所形成的位能障壁（potential barrier）而產生漏電流，這也是今日積體電路芯片功耗的來源之一。
為了解決這個問題，有一些介電常數比二氧化硅更高的物質被用在柵極氧化層中。例如鉿（Hafnium）和鋯（Zirconium）的金屬氧化物（二氧化鉿、二氧化鋯）等高介電常數的物質均能有效降低柵極漏電流。柵極氧化層的介電常數增加后，柵極的厚度便能增加而維持一樣的電容大小。而較厚的柵極氧化層又可以降低電子透過穿隧效應穿過氧化層的機率，進而降低漏電流。不過利用新材料制作的柵極氧化層也必須考慮其位能障壁的高度，因為這些新材料的傳導帶（conduction band）和價帶（valence band）和半導體的傳導帶與價帶的差距比二氧化硅小（二氧化硅的傳導帶和硅之間的高度差約為8ev），所以仍然有可能導致柵極漏電流出現。
制程變異更難掌控
現代的半導體制程工序復雜而繁多，任何一道制程都有可能造成積體電路芯片上的元件產生些微變異。當MOSFET等元件越做越小，這些變異所占的比例就可能大幅提升，進而影響電路設計者所預期的效能，這樣的變異讓電路設計者的工作變得更為困難。
MOSFET的柵極材料
理論上MOSFET的柵極應該盡可能選擇電性良好的導體，多晶硅在經過重摻雜之后的導電性可以用在MOSFET的柵極上，但是并非完美的選擇。目前MOSFET使用多晶硅作為的理由如下：
1. MOSFET的臨界電壓（threshold voltage）主要由柵極與通道材料的功函數（work function）之間的差異來決定，而因為多晶硅本質上是半導體，所以可以藉由摻雜不同極性的雜質來改變其功函數。更重要的是，因為多晶硅和底下作為通道的硅之間能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的臨界電壓時可以藉由直接調整多晶硅的功函數來達成需求。反過來說，金屬材料的功函數并不像半導體那么易于改變，如此一來要降低MOSFET的臨界電壓就變得比較困難。而且如果想要同時降低PMOS和NMOS的臨界電壓，將需要兩種不同的金屬分別做其柵極材料，對于制程又是一個很大的變量。
2. 硅—二氧化硅接面經過多年的研究，已經證實這兩種材料之間的缺陷（defect）是相對而言比較少的。反之，金屬—絕緣體接面的缺陷多，容易在兩者之間形成很多表面能階，大為影響元件的特性。
3. 多晶硅的融點比大多數的金屬高，而在現代的半導體制程中習慣在高溫下沉積柵極材料以增進元件效能。金屬的融點低，將會影響制程所能使用的溫度上限。
不過多晶硅雖然在過去二十年是制造MOSFET柵極的標準，但也有若干缺點使得未來仍然有部份MOSFET可能使用金屬柵極，這些缺點如下：
1. 多晶硅導電性不如金屬，限制了訊號傳遞的速度。雖然可以利用摻雜的方式改善其導電性，但成效仍然有限。目前有些融點比較高的金屬材料如：鎢（Tungsten）、鈦（Titanium）、鈷（Cobalt）或是鎳（Nickel）被用來和多晶硅制成合金。這類混合材料通常稱為金屬硅化物（silicide）。加上了金屬硅化物的多晶硅柵極有著比較好的導電特性，而且又能夠耐受高溫制程。此外因為金屬硅化物的位置是在柵極表面，離通道區較遠，所以也不會對MOSFET的臨界電壓造成太大影響。
在柵極、源極與漏極都鍍上金屬硅化物的制程稱為“自我對準金屬硅化物制程”（Self-Aligned Silicide），通常簡稱salicide制程。
2. 當MOSFET的尺寸縮的非常小、柵極氧化層也變得非常薄時，例如現在的制程可以把氧化層縮到一納米左右的厚度，一種過去沒有發現的現象也隨之產生，這種現象稱為“多晶硅空乏”。當MOSFET的反轉層形成時，有多晶硅空乏現象的MOSFET柵極多晶硅靠近氧化層處，會出現一個空乏層（depletion layer），影響MOSFET導通的特性。要解決這種問題，金屬柵極是最好的方案。目前可行的材料包括鉭（Tantalum）、鎢、氮化鉭（Tantalum Nitride），或是氮化鈦（Titalium Nitride）。這些金屬柵極通常和高介電常數物質形成的氧化層一起構成MOS電容。另外一種解決方案是將多晶硅完全的合金化，稱為FUSI（FUlly-SIlicide polysilicon gate）制程。
各種常見的MOSFET技術
雙柵極MOSFET
雙柵極（dual-gate）MOSFET通常用在射頻（Radio Frequency, RF）積體電路中，這種MOSFET的兩個柵極都可以控制電流大小。在射頻電路的應用上，雙柵極MOSFET的第二個柵極大多數用來做增益、混頻器或是頻率轉換的控制。
空乏式MOSFET
一般而言，空乏式（depletion mode）MOSFET比前述的加強式（enhancement mode）MOSFET少見。空乏式MOSFET在制造過程中改變摻雜到通道的雜質濃度，使得這種MOSFET的柵極就算沒有加電壓，通道仍然存在。如果想要關閉通道，則必須在柵極施加負電壓。空乏式MOSFET最大的應用是在“常關型”（normally-off）的開關，而相對的，加強式MOSFET則用在“常開型”（normally-on）的開關上。
NMOS邏輯
同樣驅動能力的NMOS通常比PMOS所占用的面積小，因此如果只在邏輯門的設計上使用NMOS的話也能縮小芯片面積。不過NMOS邏輯雖然占的面積小，卻無法像CMOS邏輯一樣做到不消耗靜態功率，因此在1980年代中期后已經漸漸退出市場。
功率MOSFET
功率晶體管單元的截面圖。通常一個市售的功率晶體管都包含了數千個這樣的單元。主條目：功率晶體管
功率MOSFET和前述的MOSFET元件在結構上就有著顯著的差異。一般積體電路里的MOSFET都是平面式（planar）的結構，晶體管內的各端點都離芯片表面只有幾個微米的距離。而所有的功率元件都是垂直式（vertical）的結構，讓元件可以同時承受高電壓與高電流的工作環境。一個功率MOSFET能耐受的電壓是雜質摻雜濃度與n-type磊晶層（epitaxial layer）厚度的函數，而能通過的電流則和元件的通道寬度有關，通道越寬則能容納越多電流。對于一個平面結構的MOSFET而言，能承受的電流以及崩潰電壓的多寡都和其通道的長寬大小有關。對垂直結構的MOSFET來說，元件的面積和其能容納的電流成大約成正比，磊晶層厚度則和其崩潰電壓成正比。
值得一提的是采用平面式結構的功率MOSFET也并非不存在，這類元件主要用在高級的音響放大器中。平面式的功率MOSFET在飽和區的特性比垂直結構的對手更好。垂直式功率MOSFET則多半用來做開關切換之用，取其導通電阻（turn-on resistance）非常小的優點。
DMOS
DMOS是雙重擴散MOSFET（double-Diffused MOSFET）的縮寫，它主要用于高壓，屬于高壓MOS管范疇。
以MOSFET實現類比開關
MOSFET在導通時的通道電阻低，而截止時的電阻近乎無限大，所以適合作為類比訊號的開關（訊號的能量不會因為開關的電阻而損失太多）。MOSFET作為開關時，其源極與漏極的分別和其他的應用是不太相同的，因為訊號可以從MOSFET柵極以外的任一端進出。對NMOS開關而言，電壓最負的一端就是源極，PMOS則正好相反，電壓最正的一端是源極。MOSFET開關能傳輸的訊號會受到其柵極—源極、柵極—漏極，以及漏極到源極的電壓限制，如果超過了電壓的上限可能會導致MOSFET燒毀。
MOSFET開關的應用范圍很廣，舉凡需要用到取樣持有電路（sample-and-hold circuits）或是截波電路（chopper circuits）的設計，例如類比數位轉換器（A/D converter）或是切換電容濾波器（switch-capacitor filter）上都可以見到MOSFET開關的蹤影。
單一MOSFET開關
當NMOS用來做開關時，其基極接地，柵極為控制開關的端點。當柵極電壓減去源極電壓超過其導通的臨界電壓時，此開關的狀態為導通。柵極電壓繼續升高，則NMOS能通過的電流就更大。NMOS做開關時操作在線性區，因為源極與漏極的電壓在開關為導通時會趨向一致。
PMOS做開關時，其基極接至電路里電位最高的地方，通常是電源。柵極的電壓比源極低、超過其臨界電壓時，PMOS開關會打開。
NMOS開關能容許通過的電壓上限為（Vgate-Vthn），而PMOS開關則為（Vgate+Vthp），這個值通常不是訊號原本的電壓振幅，也就是說單一MOSFET開關會有讓訊號振幅變小、訊號失真的缺點。
雙重MOSFET（CMOS）開關
為了改善前述單一MOSFET開關造成訊號失真的缺點，于是使用一個PMOS加上一個NMOS的CMOS開關成為目前最普遍的做法。CMOS開關將PMOS與NMOS的源極與漏極分別連接在一起，而基極的接法則和NMOS與PMOS的傳統接法相同。當輸入電壓在（VDD-Vthn）和（VSS+Vthp）時，PMOS與NMOS都導通，而輸入小于（VSS+Vthp）時，只有NMOS導通，輸入大于（VDD-Vthn）時只有PMOS導通。這樣做的好處是在大部分的輸入電壓下，PMOS與NMOS皆同時導通，如果任一邊的導通電阻上升，則另一邊的導通電阻就會下降，所以開關的電阻幾乎可以保持定值，減少訊號失真。
