微电子第二章集成器件物理基础6

图2.52(a)显示的是N沟MOS增强型晶体管的典 型结构。P沟晶体管结构与其类似，只需要将图 中P和N导电类型分别改为N和P，同时改变电源 极性。
MOSFET结构
MOSFET: MOS field-effect transistor 也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET）
随着的VGS增加，垂直电场增强。栅氧化层下方的P型衬底表面的空 穴进一步被排斥，更多的电子被吸引到表面，可能造成表面处 电子密度大于空穴密度的情况，使栅氧化层下面的衬底表面出 现反型层．即从原来的P型转变为N型。它是栅极外加垂直电场 感生作用的结果。由于反型层是以电子为载流子的N型薄层， 就在 N 型源区和 N 型漏区间形成了通道，称为沟道，如图 2.54(b)所。
阈值电压 VT ，相应的横坐标
为 VGS VT 1 。
2.6.3 MOS晶体管直流伏安特性定性测量 结果
1．截止区
在VGS VT 范围为截止区，漏源之间尚未形成沟道，因此
ID 0
2．非饱和区（包括线性区和过渡区）
在VGS VT 范围，漏源之间已形成沟道。VDS VDsat对应于曲
2.6.2 MOS晶体管工作原理
4．沟道的夹断：饱和区
(1)沟道夹断
随漏着端沟VDS道的截进面一积步减增小加到，零漏时端，沟称道为进沟一道步“变夹窄断。”当，VD如S 增图加2.到54使(c) 所示，这时MOS晶体管的工作状态对应图2.53所示特性曲线上 C点。
(2)饱和区
出现夹断时的 VDS再增加，虽然
线上的非饱和区，分析可得该区域中的 I D表达式为
式中，
ID


nCOX
W L
VGS
VT
VDS

1 2
n为沟道中电子迁移率；
V2 DS

L和
W
分别为沟道长和
宽；COX为栅氧化层电容。也可以将 nCOX 用参数KP表示， 称为跨导参数，它是PSpice软件中的一个模型参数。
2.6.3 MOS晶体管直流伏安特性定性测量 结果
kT q
ln

Nsub ni

(c)(2.78)式中的 为体效应系数：
1
2r0qNsub 2
COX
根据上述有关参数值，即可按(2.78)式计算阈值
电压。实际上，在PSpice软件中，阈值电压就是
一个模型参数。
2.6.4 MOS晶体管的阈值电压
2．阈值电压与衬底电压的关系
3．饱和区
VGS VT ，VDS VDsat对应于特性曲线上的饱和区。分析
可以得到该区的
I D 表达式为
ID IDsat
W L
KP 2
VGS
VT 2
如稍前有所减述少，。在上饱式和中区的，L应随该着改VD为S 的有增效加沟，道沟长道长度
度代L表eff单位L漏 源L。电若压引引入起沟的道沟长道度长调度制的系相数对变 化率L，。VDS L
2.6 MOS场效应晶体管
2.6.1 MOS晶体管结构 2.6.2 MOS晶体管工作原理 2.6.3 MOS晶体管直流伏安特性定性测量结果 2.6.4 MOS晶体管的阈值电压 2.6.5 MOS晶体管特点 2.6.7 硅栅MOS结构和自对准技术 2.6.8 高电子迁移率晶体管
2.6.0 引言
MOS贴晶体管和MOS工艺具有独特的优点。 促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术 (a)半导体表面的稳定化技术； (b)各种栅绝缘膜的实用化； (c)自对准结构MOS工艺； (d)阈值电压的控制技术。 另外，MOS在一些特种器件，如CCD(电荷耦合
断点逐步向源端移动，有效沟道长度 将会变Leff 小，其结果将使 ID略有增加，这就是沟道长度调制效应。只要沟道长度较长，夹
断后的 增加非ID 常缓慢．可以认为维持饱和。
2.6.2 MOS晶体管工作原理
5．击穿区 如果VGS 再继续增加，使漏端刚结反偏电压过大 MOS晶体管进入击穿区。 6．MOS晶体管的直流特性和电路符号 (1) MOS晶体管道偏置条件
2.6.2 MOS晶体管工作原理
2．沟道的形成和阈值电压：线性区
(1)导电沟道的形成
如果在栅极加一个小的正向电压，使VGS 0 ，则栅极上的正电 荷在栅氧化层中产生一垂直电场。在此电场的作用下，栅氧化 层下面的P型衬底表面将感生负电荷。即带负电的电子被吸引到 半导体表面，而带正电的空穴被排斥离开表面。由此可见，在 与栅极垂直的电场作用下，对栅极下面衬底表面的电荷进行了 调制，使表面处空穴密度远低于衬底内部的空穴密度，从而导 致表面处形成载流子耗尽区。
2.6.2 MOS晶体管工作原理
图2.53是增强型NMOS晶
体管的直流伏安特性曲
线，表示的是漏源电流
ILeabharlann 和漏源电压DVDS之间的关
系，以控制电压 VGS为参
变量。该曲线与图2.47
所示的JFET特性曲线非
常类似，也分为截止区、
线性区、过渡区(统称为
非饱和区)以及饱和区。
2.6.2 MOS晶体管工作原理
总结上而的分析，栅源电压 VGS 是否达到 VT 阈值 电压决定MOS晶体管是否离开截止区。在 MOS晶体管离开截止区后，再以漏源电压VDS 是否大于夹断断电压 VDsat决定MOS晶体管是 否进入饱和区。上述决定三个工作区的偏置 条件如图2.55所示。
(2)四种MOS晶体管的直流特性曲线和电路符号
则得饱和区中的电流表达式为
ID
IDsat
W L
KP 2
VGS
VT 2 1 VDS
2.6.4 MOS晶体管的阈值电压
1．MOS阈值电压的基本表达式
阈值电压VT 是表征MOS晶体管的重要性能参数。由器件物理得出：
VT与界栅面极的材质料量、等栅因绝素缘有层关厚。度对、NM衬O底S掺晶杂体浓管度，和分半析导可体得与一氧化硅
2.6.2 MOS晶体管工作原理
2.6.2 MOS晶体管工作原理
（2）阈值电压 开始形成沟道时在栅极上所加的电压成为MOS晶体管的
阈这值种电必压 须在，栅记极为上VT 加。有它电是压MO才S能晶形体成管沟的道一的个M重O要S晶参体数。 管，称为增强型MOS晶体管。 如果采用一定的工艺措施，使MOS晶体管栅氧化层下面 的衬底表面再栅压VGS 0 时就已经形成沟道，称为耗尽 型MOS晶体管，耗尽型MOS晶体管必须在栅极加有一 定的负电压才能使沟道截止。耗尽型MOS晶体管沟道 阈值电压是使沟道截止时的栅源电压。 （3）特性曲线的线性区 由于沟道相当于一个电阻，这时若同时在源漏间加有电 压 VDS ，便有电子由源区经过沟道到达漏区，形成漏极 电范流围，I D 这，就而是且线I D性与区V。DS 成正比，对应特性曲线上的OA
图 3 形成耗尽层
4、形成反型层（电压超过一定值Vt）
反 型 层
图 4 形成反型层
NMOS晶体管工作原理
表面场效应形成反型层（MOS电容结构）
NMOS工作原理
Vds < Vgs - Vt Vds = Vgs - Vt
Vds > Vgs - Vt
2.6.1 MOS晶体管结构
2．MOS结构
虽然MOS晶体管与JFET都是电压控制器件，即 通过栅源电压控制导电沟道来控制漏源之间的电 流。但是MOS晶体管是采用电场控制感应电荷的 方式控制导电沟道。为了形成成电场，在沟道区 的L面覆盖了一层很薄的二氧化硅层，称为栅氧化 层。栅氧化层上方程盖的一层金属铝，形成栅电 极。这样从上往下，构成一种金属(Metal)—氧化 物(Oxide)—半导体(Semiconductor)结构，故称为 MOS结构，这一结构是MOS晶体管的核心。目前 栅电极大多采用多晶硅。
1．VGS 小于等于0情况：截止区
若栅极和源极间外加电压VGS 小于等于0，NMOS结 构图如图2.54(a)所示 (图中显示的是VGS 0 的情况)。 这时，N型掺杂浓度均很高的源区和漏区之间是 掺有P型杂质的衬底，形成了两个背靠背的PN结。 如果在源极和漏极间外加一电压 VDS (漏极接电源 正端，源极接电源负端)，由于源区和漏区之间存 在反偏的PN结，源漏间阻抗很大，只有很小的 PN结泄漏电流，因此漏极和源极之间的电流近似 为零。对应图2.53特性曲线上的截止区。
金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET) 电压控制电流—>场效应晶体管
MOS器件的表征：
沟道宽度
沟道长度
L w
MOSFET工作原理（NMOS为例）
半导体表面场效应 1. P型半导体
图1 P型半导体
2、表面电荷减少(施加正电压)
图 2 表面电荷减少
3、形成耗尽层（继续增大正电压）
耗尽层（高阻区）
2.6.2 MOS晶体管工作原理
(2)特性曲线上的过渡区
在 VDS较小时，沿沟道方向沟道截面积不相等的现 象很不明显，这时的沟道相当于是一个截面积均 匀的电阻，因此源漏电流 I D 随 VDS几乎是线性增加 的，这就是上面讨论的图2.53所示特性曲线上OA 那一段线性区范围。
随着 VDS的增加，沿沟道方向沟道截面积不相等的 现象逐步表现出来，如图2.54(b)所示。而且随着 VDS 的增加，漏端处沟道和衬底之间的PN结耗尽层加 宽，沟道变窄，沟道电阻增大，使 ID随VDS增加的 趋势减慢，偏离直线关系，对应图2.53所示特性 曲线上B点附近那一段范围。
VVDSDS称VDsa为t ，饱由和于电这压时VD漏sat ，端记PN这结时耗的尽电层流进为一ID步sat ，扩如大果，
如图2.54(d)所示，使有效沟道区中的压降仍保持为 ，因此
通过沟道区的电流基本维持为 。ID由sat 于 大V于DS 后VDsat 基本I D 保 持不变，因此称这一区域为饱和区。当然，随着 的V增DS大，夹