微电子第二章 集成器件物理基础 6

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。
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 I D 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。
MOSFET结构
MOSFET: MOS field-effect transistor 也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET） 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
L w 沟道长度
MOSFET工作原理（NMOS为例）
2.6.2 MOS晶体管工作原理
4．沟道的夹断：饱和区 ．沟道的夹断： (1)沟道夹断 随着 VDS 的进一步增加，漏端沟道进一步变窄。当VDS 增加到使 漏端沟道截面积减小到零时，称为沟道“夹断”，如图2.54(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 称为饱和电压VDsat ，记这时的电流为 I Dsat ，如果 VDS再增加，虽然 V > V ，由于这时漏端PN结耗尽层进一步扩大， DS Dsat 如图2.54(d)所示，使有效沟道区中的压降仍保持为 ，因此 I Dsat ID V 通过沟道区的电流基本维持为 。由于 大于 后 Dsat 基本保 V VDS 持不变，因此称这一区域为饱和区。当然，随着 的增大，夹 Leff 断点逐步向源端移动，有效沟道长度 将会变小，其结果将使 I 略有增加，这就是沟道长度调制效应。只要沟道长度较长，夹 ID 断后的 增加非常缓慢．可以认为维持饱和。
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）
图3
形成耗尽 层
4、形成反型层（电压超过一定值Vt）
反 型 层
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
2.6.2 MOS晶体管工作原理
3．漏源电压 对沟道形状的影响：过渡区 ． 对沟道形状的影响： （1）沟道中的压降与沟道截面积 在漏极电压 VDS 的作用下。沟道中沿沟道方向将产生压降。 对图2.52所示的增强型NMOS晶体管，漏端接 VDS 正端， 源端接地，因此沟道中压降是从漏端处的沿着沟道逐步 变化到接地的源端。一般情况下，衬底与源端相连，因 此P型衬底也处于接地的零电位。这样，对N型沟道和P 型衬底之间的PN结，结上的偏置情况沿着沟道方向发 生变化。靠近源端处P门结为零偏，而在靠近漏端处的 那部分PN结为反偏，因此，衬底和沟道之间的PN结在 靠近源端和靠近漏端处的耗尽层宽度是不同的，靠近源 端处的耗尽层宽度最窄，靠近漏端处最宽。这就导致沿 着沟道方向，沟道的截面积也不相等，靠源湍处沟道的 截面积最大，沿沟道方向逐步减小．靠漏端处的沟道截 面积最小。
TOX
2.6.4 MOS晶体管的阈值电压
(b)(2.78)式中的
φF称为费米电势：
式中， ni 为衬底掺杂浓度。 (c)(2.78)式中的 γ 为体效应系数： 1 ( 2ε r ε 0 qN sub ) 2 γ= 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。
VFB = Φ MS −
Φ 式中， MS 等于栅极材料和衬底材料间的功函数差除以电子电荷； QSS为氧化层固定表面电荷密度，一般情况下其大小为； ε rε 0 COX为单位面积栅氧化层电容(简称MOS电容)。
COX
COX =
ε 为SiO2材料的介电常数； TOX 为SiO2厚度。 式中， r ε 0
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） ．非饱和区（包括线性区和过渡区） V D 在VGS ≥ VT 范围，漏源之间已形成沟道。 DS <V sat对应于曲 线上的非饱和区，分析可得该区域中的 I D表达式为
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 N 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。
3．饱和区 ． VGS ≥ VT ，DS ≥ VDsat 对应于特性曲线上的饱和区。分析 V 可以得到该区的 I D 表达式为 W KP
I D = I Dsat = L 2
(VGS − VT )
2
如前所述，在饱和区，随着 VDS 的增加，沟道长度 稍有减少。上式中的L应该改为有效沟道长 度Leff = ( L − ∆L 。若引入沟道长度调制系数 λ ≡ ∆L VDS L ， ) 代表单位漏源电压引起的沟道长度的相对变化率。 则得饱和区中的电流表达式为
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 阈值电压，记为 VT 。它是MOS晶体管的一个重要参数。 这种必须在栅极上加有电压才能形成沟道的MOS晶体 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 电流 I D ，而且 I D 与 VDS 成正比，对应特性曲线上的OA 范围，这就是线性区。
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 ．沟道的形成和阈值电压： (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。 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。
I D = µ n COX
式中， µn为沟道中电子迁移率； L 和 W 分别为沟道长和 宽；COX为栅氧化层电容。也可以将 µnCOX 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。
W 1 2 (VGS − VT ) VDS − 2 VDS L
2.6.3 MOS晶体管直流伏安特性定性测量 结果
I D = I Dsat
W KP 2 = (VGS − VT ) (1 + λVDS ) L 2
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与栅极材料、栅绝缘层厚度、衬底掺杂浓度和半导体与一氧化硅 界面的质量等因素有关。对NMOS晶体管，分析可得 12 VT = VFB + 2φF + γ ( 2φF ) (2.78) 下面说明2.78式中各项的含义。 2.78 (a) VFB为“平带电压”。它表示由于栅极材料和衬底材料间的功 函数差以及栅氧化层中固定正电荷的影响(与Si-SiO2界面和SiO2 QSS 质量因素有关)而引起的电压偏移。
2.6 MOS场效应晶体管
2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.6.7 2.6.8 MOS晶体管结构 MOS晶体管工作原理 MOS晶体管直流伏安特性定性测量结果 MOS晶体管的阈值电压 MOS晶体管特点 硅栅MOS结构和自对准技术 高电子迁移率晶体管