MOS场效应晶体管
MOSFET
MOS晶体管MOS晶体管的概念金属-氧化层-半导体-场效晶体管，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”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
这个名称前半部分说明了它的结构，后半部分说明了它的工作原理。
从纵向看，MOS晶体管是由栅电极、栅绝缘层和半导体衬底构成的一个三明治结构；从水平方向看，MOS晶体管由源区、沟道区和漏区3个区域构成，沟道区和硅衬底相通，也叫做MOS 晶体管的体区。
一个MOS晶体管有4个引出端：栅极、源极、漏极和体端即衬底。
由于栅极通过二氧化硅绝缘层和其他区域隔离，MOS晶体管又叫做绝缘场效应晶体管。
MOS晶体管还因为其温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛用于大规模和超大规模集成电路中。
MOS管有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管，P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。
凡栅-源电压U GS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅-源电压U GS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。
MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC。
MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压V GS实现对水平I DS的控制。
它是多子（多数载流子）器件。
用跨导描述其放大能力。
MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。
白底+9第9章MOS场效应晶体管
结论：导电因子由工艺参数 K’和设计参数 W/L 决定。
VLSI CAD, CHP.0 37
9-1-1 MOS晶体管的基本结构
• MOS晶体管--- MOSFET,金属-氧化物-半 导体场效应晶体管 • 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2， 图1-1-1, • 主要结构参数：
– – – –
2000-9-20
沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） 沟道宽度W (1-1-3, W= W1 +W2 +W3) 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）
• 9-4- 1 MOS晶体管的本征电容 – 定义：由沟道区内的耗尽层电荷和反型层电荷随外 电压变化引起的电容。 • 9-4- 2 MOS晶体管的寄生电容 – 源漏区PN结电容：CjSB、CjDB，图1-4-6 – 覆盖电容： CGS、CGD, 图1-4-9, CGB,图1-4-9, • 9-4- 3 MOS晶体管瞬态分析的等效电路*
27
夹断现象
2000-9-20
VLSI CAD, CHP.0
28
9-3-3 饱和区沟道长度调制效应
• 现象：图1-3-9，实际I—V特性饱和区电流不饱和 • 原因：图1-3-8 • 对电流方程的修正：在下式中
W off Cox
Leff
Leff L ΔL (1.3.26)
ΔL λVDS L
• 美国，R.M.Warner, • 电子工业出版社
前言， 2
9-1 MOS晶体管工作原理
• • • • 9-1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 9-1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 9-1-3 MOS晶体管的电流方程 920
mos管的作用功能
MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）具有多种功能，主要包括放大器、电子开关、时钟电路和射频放大器等。
放大器：MOS管可以放大模拟电信号，例如音频信号，使得音乐声音更加清晰、有力。
电子开关：MOS管可以作为电子开关，在电路中开启或关闭电路，从而实现电路的控制。
时钟电路：MOS管可用于制作时钟电路，例如计数器、时序电路等。
可以对输入信号进行处理，从而实现时钟信号的发生和计数。
射频放大器：MOS管可以作为射频放大器，放大无线电信号，从而增强信号的传输距离和质量。
转换数字电信号：MOS管可以将输入的模拟电信号转换成数字电信号或将数字电信号转换回模拟电信号。
在实际应用中，MOS管的多种功能使其在许多领域中得到广泛应用，例如音频放大、电源管理、通信等。
MOS场效应管
MOS场效应管MOS晶体管金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。
MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-ICMOSFET的结构MOSFET是Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor的英文缩写，平面型器件结构，按照导电沟道的不同可以分为NMOS和PMOS器件。
MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。
它是多子（多数载流子）器件。
用跨导描述其放大能力。
MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。
NMOS和PMOS在结构上完全相像，所不同的是衬底和源漏的掺杂类型。
简单地说，NMOS是在P型硅的衬底上，通过选择掺杂形成N 型的掺杂区，作为NMOS的源漏区；PMOS是在N型硅的衬底上，通过选择掺杂形成P型的掺杂区，作为PMOS的源漏区。
如图所示，两块源漏掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。
对于这种简单的结构，器件源漏是完全对称的，只有在应用中根据源漏电流的流向才能最后确认具体的源和漏。
器件的栅电极是具有一定电阻率的多晶硅材料，这也是硅栅MOS器件的命名根据。
在多晶硅栅与衬底之间是一层很薄的优质二氧化硅，它是绝缘介质，用于绝缘两个导电层：多晶硅栅和硅衬底，从结构上看，多晶硅栅-二氧化硅介质-掺杂硅衬底(Poly-Si--SiO2--Si)形成了一个典型的平板电容器，通过对栅电极施加一定极性的电荷，就必然地在硅衬底上感应等量的异种电荷。
这样的平板电容器的电荷作用方式正是MOS器件工作的基础。
MOS管的模型MOS管的等效电路模型及寄生参数如图2所示。
图2中各部分的物理意义为：（1）LG和RG代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。
mos管工艺流程
mos管工艺流程MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的场效应晶体管，广泛应用于集成电路中。
MOS管的制造需要经过一系列的工艺流程，下面将详细介绍MOS管的制造流程。
首先，制作MOS管的第一步是准备硅基片。
硅基片是制造集成电路的基础材料。
它通过切割硅单晶材料得到，然后经过多次的研磨和抛光，使得硅基片表面光洁平整。
接下来，将硅基片进行清洗，以去除表面的杂质和污染物。
清洗过程中使用一系列溶液和超声波来清洗硅基片。
清洗后，硅基片需要进行干燥，以确保表面干净无尘。
然后，在硅基片上生长一层绝缘层。
绝缘层可以是氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4），它起到隔离和保护MOS管的作用。
生长绝缘层的方法有热氧化和化学气相沉积（CVD）。
热氧化是将硅基片放入高温氧气中，使硅表面与氧气反应生成氧化硅。
化学气相沉积则是通过化学反应在硅表面沉积氮化硅。
接下来是制作栅极。
首先，在绝缘层上涂覆一层光刻胶，然后使用曝光设备将光刻胶曝光。
曝光后，用显影液去除未曝光的光刻胶，形成栅极的图案。
然后，将栅极材料（通常是多晶硅或金属）沉积在图案上，形成栅极。
然后是离子注入。
离子注入是将掺杂物注入硅基片中，以改变硅基片的导电性能。
掺杂物可以是硼（B）或磷（P），硼用于形成P型区，而磷用于形成N型区。
注入时，利用离子注入设备将掺杂物离子加速并注入硅基片，形成掺杂层。
接下来是退火步骤。
退火是将硅基片加热到高温，以恢复掺杂区的结构，并消除离子注入中的缺陷。
退火还帮助栅极材料与硅基片结合更牢固。
最后是接触孔刻蚀和金属沉积。
这一步是将接触孔刻蚀在绝缘层上，并在接触孔中沉积金属，以形成电极。
接触孔的刻蚀可以使用干法刻蚀或湿法刻蚀，金属的沉积可以使用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）。
通过以上工艺流程，MOS管的制造完成。
最后，还需要进行电气测试和封装等步骤，以确保MOS管的质量和可靠性。
总之，MOS管制造的流程复杂且涉及多个步骤，每个步骤都需要精确控制和严格的质量检测。
第八章 MOS场效应晶体管
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条 件下，当 TOX = 150 nm 时：
QOX 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图
电子管,晶体管,三极管,场效应管,MOS以及CMOS的区别和联系
电子管，晶体管，三极管，场效应管，MOS以及CMOS的区别和联系
电子管：一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振
荡的电子器件，常用于早期电子产品中。
晶体管（transistor）：一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。
晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常
之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。
电子管与晶体管代表了电子元器件发展过程中的两个阶段：电子管——晶体管——集成电路。
电子管可分为电子二极管，电子三极管等，晶体管也分为半导体二极管，半导体三极管等。
三极管：半导体三极管的简称，是一种电流控制型半导体器件，由多子和少子同时参与导电，也称双极型
晶体管（BJT）或晶体三极管。
场效应管(FET)：Field Effect Transistor，一种电压控制型半导体器件，由多数载流子参与导电,也称为单极
型晶体管。
MOS：场效应管的一种。
CMOS：互补金属氧化物半导体，是一种类似MOS管设计结构的多MOS结构组成的电路，是一种由无数
电子元件组成的储存介质。
mos场效应晶体管
mos场效应晶体管
Mos场效应晶体管是一种由晶体管和一组极性电极组成的可控制的电晶体元件，它的构造有着三个基本构元：主要是活塞片，源极和漏极。
Mos场效应晶体管是半导体电子器件中的重要一部分，它由两个栅极桥式构成，由垂直排列的源极，漏极，活塞片和双栅极构成，通过改变活塞片的位移来改变电路参数，以实现对电路的控制，是工业等领域应用十分广泛的半导体元件。
它具有较低的截止电压，低风险，高稳定性，低功耗，高可靠性等优点，适用于低功耗、放大、抑制、调节等电路应用。
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在平带条件下对应的总电容称为MOS 结构的平带电容CFB
CFB
tOX
OX0
1 2
OSX
LD
右图表示了P型半 导体MOS结构的理 想C-U曲线
MOS电容-电压曲线
4.1.2 实际MOS 结构及基本特性
几种影响理想MOS结构的特性 1.功函数差的影响
左图为几种主要硅栅极材料 的功函数差随浓度的变化
BU GSEOX (matxO)X 实际MOS场效应晶体管栅-源之间的击穿电压，将比 上式的计算值更低。
4.4.4 输出特性曲线与直流参数
Ⅰ区：非饱和区。 Ⅱ区：饱和区。 Ⅲ区：雪崩区。 Ⅳ区：截止区。
MOS场效应晶体管的完整输出特性曲线
不同USB值下的MOSFET输出特性曲线 a) USB=0V b) USB=1V c) USB=2V d) USB=4V
IDS U G SU TUDS 1 2UD2S
3. 饱和区的伏安特性
IDsat 12UGSUT 2
饱和时沟道电荷和电场分布
线性工作区对应上图的直线段1 非饱和区对应与曲线上的段2 饱和区则对应于曲线上的段3
4.4.2 亚阀区的伏安特性
当栅极电压UGS稍低于阀值电压UT，甚至UGS=0时，在栅 氧化层正电荷作用下，栅下P型半导体的表面很可能处于 弱反型状态，沟道中仍有很小的漏电流通过。
通常将栅源电压低于阀值电压，器件的工作状态处于亚阀 值区，流过沟道的电流成为亚阀值电流。
弱反型时亚阀值电流由下式给出
IDSqW qETS Dn
L1nP0eqTUS
1eqUTDS
Wn
L
qT2q2q0NAU S S
1
2
ni2 NA
q US
eT
1eqUTDS
4.4.3 击穿区的伏安特性与击穿机理
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
3）氧化膜是一个理想的绝缘体，电阻率为无穷大，在直 流偏置条件下，氧化膜中没有电流通过。
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象
b) 耗尽现象
c) 反型现象
2.表面势与表面耗尽区
下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
由穿通现象引起的漏源击穿电压为
BUDSP
qNBC
20S
L2
式中，NBC为衬底材料的杂质浓度；L为沟道长度。
3. 最大栅源耐压BUGS
最大栅源电压是指栅-源之间能够承受的最高电压， 它是由栅极下面SiO2层的击穿电压所决定。 结构完整的SiO2发生击穿所需的临界电场强度
Eo(xma x)810 6V/cm 因此厚度为tOX的SiO2层的击穿电压为
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
2. MOS管的基本工作原理 MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
gm
IDS UGS
UDSC
它标志着MOS场效应晶体管电压放大本领，它与电压增益KV
的关系为
KV
IDSRL UGS
gmRL
显然可见,MOS管的跨导越大,电压增益也越大.跨导的大小与 各种工作状态有关.
UDS较小时，导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
2. 饱和工作区 此时的电流-电压特性对应与特性图中UGS=5V曲线的AB段。
导电沟道随UDS的变化
a) UDS很小沟道电阻式常数 b) UDS=UDSat开始饱和 c) UDS>>UDSat漏极电流不再增加
通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为： Ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）； Ψs=0平带情况； ΨF>Ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）； ΨF=Ψs 表面上正好是本征的ns=ps=ni ΨF<Ψs 反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。
电势与距离的关系，可由 一维泊松方程求得
d 2 (x)
1. 线性工作区的伏安特性
线性工作区，漏源电压很小，故沟道压降很小，可以忽略 不计，线性工作区的漏源电流则可表示为
I D d S U y G U S T W n C O d X ( y ) U
将上式积分便可得到线性区的直流伏安特性方程式
IDSWn L COXUG SUTUDS
2. 非饱和区伏安特性
4.3.1 阀值电压
1. MOS 结构中的电荷分布 对于MOS 结构的P型半导体，其费米势为：
F
T ln
q
NA ni
左图给出了 MOS 结 构强反型时的能 带图和电荷分布 图。
a) 能带图
b) 电荷分布图
2. 理想 MOS 结构的阀值电压
理想MOS 结构是指忽略氧化层中的表面态电荷密度， 且不考虑金属-半导体功函数差时的一种理想结构。 理想 MOS 结构的阀值电压为
4. P沟耗尽型MOS管及转移特性
4.2.3 MOS 场效应晶体管的输出特性
同双极型晶体管一样，场效应晶体管的许多基本特性 可以通过它的特性曲线表示出来。
N 沟 MOS 场效应晶体管的偏置电压
它的输出特性曲线则如下图所示： 下面分区进行讨论：
1. 可调电阻区(线性工作区) 可归纳为：外加栅压UGS增大，反型层厚度增加，因而 漏源电流随UDS线性增加，其电压-电流特性如上图中 UGS=5V曲线中的OA段所示。
可以得出使沟道夹断进入饱和区的条件为UDS>>UGS-UT .
3. 击穿工作区 此时的电流-电压特性曲线对应于特性图中UGS=5V的BC段。
四种 MOS 晶体管的结构、接法和特性曲线
a) N沟道增强型 b) N沟道耗尽型 c) P沟道增强型 d) P沟道耗尽型
4.3 MOS场效应晶体管的阀值电压
在实际的MOS结构中，金属-半导体功函数差不等于零， 半导体能带需向下弯曲，如图所示，这是因为在热平衡 状态下，金属含正电荷，而半导体表面则为负电荷
为了达到理想平带状况，需要外加一个相当于功函数 差qфms的电压，使能带变为如下图所示的状况。
平带情况
2.氧化层中电荷的影响
在通常的SiO2-Si结构中包括以下四种情况，如下图 系 统 电 荷 示 意 图
UT 0 QCBOmXax2F
3. 实际 MOS 结构的阀值电压
在实际的 MOS 结构中，存在表面态电荷密度QOX和金属-半导 体功函数差фms。 因此，在实际MOS结构中，必须用一部分栅压去抵消它们的 影响。才能使MOS结构恢复到平带状态，达到理想MOS结构 状态。
实际 MOS 结构的阀值电压为：
5. 费米势的影响 费米势 随衬底杂质浓度的变化关系
综上所述，MOS场效应晶体管的阀值电压与栅氧化层 的厚度、质量、表面态电荷密度、衬底掺杂浓度、功 函数差和费米势等有关。但对于结构一定的器件，在 制造工艺中，能有效调节阀值电压的方法，主要是通 过调整衬底或者沟道的掺杂浓度来实现的。
4.4 MOS 场效应晶体管的直流伏安特性
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
3. 衬底杂质浓度的影响 衬底杂质浓度对阀值电压的影响
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
2) 饱和漏源电流IDS
ID(饱 S) 和 W 2 L C OU XT 22 tS O 0X W LU T 2
3) 截止漏电流 4) 导通电阻 定义漏源电压与漏电流之比为导通电阻Ron
R on (U G 1 SU T)C O LW XU G1 SU T
5) 栅源直流输入阻抗RGS 6) 最大耗散功率PCM MOS场效应晶体管的耗散功率 PC等于其漏源电压和漏源电流的乘积
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿
在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
2. 漏-源穿通
当沟道足够短，并且衬底为低掺杂，若漏源电压UDS足够大 时，使漏结耗尽区向源端扩展并与源端周围的耗尽区相连， 便发生漏-源之间的直接穿通。
N沟 MOS管的简化截面图
4.4.1 伏安特性方程基本表示式
N沟 MOS增强型的一维简化模型前面已给出， 图中标明了各参量的代表符号和参数坐标。
可以得出漏电流IDS为：
d(U y)
ID S Iy W n C OU XG SU T U (y) dy
将上式在整个沟道内积分，便得到MOS场效应晶体 管伏安特性方程的基本表示式。为了方便，下面将 分3个区域进行讨论。
2. 直流参数
1) 阀值电压UT
U T (N 沟 M)O Sm sQ C O O X X qC A X N O d m X a2 x q T ln N n iA U T (P 沟 M)O S m sQ C O O X X qC D N X O d m X a2 x q T ln N n iD
dx2
0 S
对泊松方程积分，可得表面耗尽区的静电势分布为