MOS场效应晶体管

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白底+9第9章MOS场效应晶体管

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

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。







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,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
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。

场效应晶体管的工作原理

场效应晶体管的工作原理
正常工作时,漏极接电源正极,源极接电源负极,栅极接偏置电源的负极。
由于栅极与P 区相连,所以,两个PN结都加上了反向电压,只有极微小电流流出栅极。由于漏极和源极都和N区相连,漏、源极之间加正向电压之后,在栅极电压负值不大时,源极之间有漏极电流,D流过,它是由N区中多数载流子(电子)形成的。
当PN结施加反向电压时(P接负极,N接正极),耗尽区就会向半导体内部扩展,使耗尽变宽,使耗尽区里的空间电荷增多。这种扩展,如果N区杂质浓度高于P区,主要在P区进行晶体管的工作原理如图73所示。它是在一块低掺杂的N型区两边扩散两个高掺杂的P型区,形成两个PN结,一般情况下N区比较薄。N区两端的两个电极分别叫做漏极(用字母D表示)和源极(用字母S表示),P 区引出的电极叫做栅极(用字母G表示)。
场效应晶体管的工作原理
场效应晶体管是受电场控制的半导体器件,而普通晶体管的工作是受电流控制的。场效应晶体管主要有结型场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管(通常称MOS型)两种类型。两种管子工作原理不同,但特性相似。
1.结型场效应晶体管的工作原理
与普通结型晶体管一样,结型场效应晶体管的基本结构也是PN结。N型半导体与P型半导体形成PN结时,N区电子很多,空穴很少,而P区空穴很多,电子很少,因此在PN结交界处,N区电子跑向P区,P区空穴跑向N区。这样,在N区留下的是带正电的施主离子,在P区留下的是带负电的受主离子。这一区域内再也没有自由电子或空穴了,故称为“耗尽区”或“耗尽层”,又称空间电荷区
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由于P N结的耗尽区大部分在N区,当加上反向电压时,耗尽区主要向N区扩展。电压愈高,两个耗尽区之间电流可以通过的通道(常称为沟道)就愈窄,所以加在栅极与源极之间的负电压越大,两个耗尽区变得越厚,夹在中间的沟道就越薄,从而使沟道的电阻增大,漏电流ID减小;反之ID增大。漏极电流ID的大小会随栅、源之间的电压UGS大小而变,也就是说,栅、源电压US能控制漏电流ID,这就是结型场效晶体管的工作原理。需要着重指出的是,它是用电压来控制管子工作的。前面讲的是两个P 区夹着一个薄的N区形成的结型场效应晶体管,称为N沟道结型场效应晶体管。同样,用两个矿区夹着一个薄的P区就形成P沟道结型场效应晶体管,但是它的正常电压与N区沟道管子相反。
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Slide 6-14
6.3.3 HEMT, High Electron Mobility Transistor
N-GaAlAs
source
N
+
metal gate
drain
N
+
….......
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6.3.2 GaAs MESFET
source
+
gate
metal N-channel
drain
+
N
N
GaAs
Semi-insulating substrate
MESFET IV characteristics are similar to MOSFET’s but does not require a gate oxide. Question: What is the advantage of GaAs FET over Si FET?
Terms: depletion-mode transistor, enhancement-mode transistor
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6.2 MOSFETs Technology
Polysilicon gate and 1.2nm SiO2
•1.2 nm SiO2 used in production. Leakage current through the oxide limits further thickness reduction.
Chapter 6 MOSFET
The MOSFET (MOS Field-Effect Transistor) is the building block of Gb memory chips, GHz microprocessors, analog, and RF circuits. Match the following MOSFET characteristics with their applications: • small size • high speed • low power • high gain
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6.4 Vt and Body Effect
How to Measure the Vt of a MOSFET
A B
•Method A. Vt is measured by extrapolating the Ids versus Vgs curve to Ids = 0. W I dsat = Coxe (Vgs - Vt ) m nsVds Vgs - Vt •Method B. The Vg at which Ids =0.1mA W/L
(b)
NFET
N+
0V (c) • basic layout of a CMOS inverter
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6.3 Surface Mobilities and High-Mobility FETs
From Gauss’s Law,
Eb = – Qdep/es
Vt = V fb st - Qdep / Coxe
Therefore,
Eb = Coxe
es
(Vt - V fb - st ) Coxe (Vgs - Vt ) C 1 Et ) = oxe (Vgs Vt - 2V fb - 2 st ) ( Eb 2e s 2 =
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CMOS (Complementary MOS) Inverter
Vd d
PFET S D D S NFET 0V
Vin
Vo ut C:
capacitance (of interconnect, 0 V etc.)
Wd max
Qinv = -Coxe (Vgs - Vt ) CdepVsb
Coxe
= -Coxe (Vgs - (Vt
• Redefine Vt as
Cdep Coxe
Vsb ))
Cdep
Vt (Vsb ) = Vt 0
Cdep Coxe
Vsb = Vt 0 Vsb
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Et = -(Qdep Qinv ) / e s = Eb - Qinv / e s = Eb = Coxe
es
es
(Vgs - V fb - st )
Coxe (Vgs Vt 0.2 V) 2e s Vgs Vt 0.2 V
6Toxe
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A CMOS inverter is made of a PFET pull-up device and a (a) NFET pull-down device. Vout = ? if Vin = 0 V.
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6.2 Complementary MOSFETs Technology
NFET PFET
When Vg = Vdd , the NFET is on and the PFET is off. When Vg = 0, the PFET is on and the NFET is off.
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Slide 6-15
6.3.4 JFET
source
+
P+ gate
drain
+
N
N-channel
N
P-Si
•The gate is a P+N junction.
•The FET is a junction field-effect transistor (JFET).
6.3.1 Surface Mobilities
Vg = Vdd , Vgs = Vdd
Vds > 0
Ids
How to measure the surface mobility:
I ds = W × Qinv × v = WQinv m nsE = WQinv m nsVds / L = WCoxe (Vgs - Vt ) m nsVds / L
Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits (C. Huon the Field-Effect Transistor
In 1935, a British patent was issued to Oskar Heil. A working MOSFET was not demonstrated until 1955. Using today’s terminology, what are 1, 2, and 6?
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MOSFET Vt and the Body Effect
• Body effect: Vt is a function of Vsb. When the source-body junction is reverse-biased, Vt increases.
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CMOS (Complementary MOS) Inverter
Vdd
Contact P+
Vin 0V
P+ N+
Vout
N+ P+
V dd
P+ N+
N-well
PFET
N-well
Vin Vout
P-substrate
• NFET and PFET can be fabricated on the same chip.
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6.1 Introduction to the MOSFET
Basic MOSFET structure and IV characteristics
+
+
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(Vgs Vt 0.2) / 6Toxe = 1.5 V / 1210-7 cm = 1.25 MV/cm
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