mos场效应晶体管

(1)dox越大，Cox越小，阈值电压变化越大， 短沟道效应越大，为减小短沟道效应，
VT
VLSI/ULSI器件的栅氧厚度越来越薄。
(2)衬底浓度越低，xdm越大，短沟道效应越 L 大，这就是在亚微米器件中，为什么要用离
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¾当表面势达到费米势的 两倍，表面电子的浓度正 好与体内多子空穴的浓度 相同，称为“强反型”。此 时，栅极电压VG称为阈值 电压VT。
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¾VG继续增大，耗尽层电荷QB和表面势Vs＝VF基本不 再变化，只有反型层载流子电荷随电压VG增加而增加。
I DS
=
1 2
μnCOX
W L
(VGS
−VT )2
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当然，随着VDS的增大，夹断 点逐步向源端移动，有效沟道 长度将会变小，其结果将使IDS 略有增加，这是沟道长度调制 效应。
（III）击穿区
饱和区后，VDS继续增大到一定程度时，晶体管将进 入击穿区，在该区，随VDS的增加IDS迅速增大，直至 引起漏－衬底PN结击穿。
Vs = 2VF
施加在栅电极上的电压VG为阈值电压VT：
VT
=
2VF
−
QB COX
=
2VF
+
1 COX
1
(4ε 0ε Si N AqVF ) 2
式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：
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COX
= ε ε0 SiO2
TOX
MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半 导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两 个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一 个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝 作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。
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MOS场效应晶体管是四端器件。
的各类电荷
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• 阈值电压
VT
= VFB
+ 2VF
− QB Cox
= Vms
−
Q fc Cox
+ 2VF
− QB Cox
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(2) MOSFET的电流－电压关系
• MOSFET的放大作用：由于反型层电荷强烈地依赖于 栅压，可利用栅压控制沟道电流，实现放大作用。
• 当MOSFET沟道中有电流流过时，沿沟道方向会产生 压降，使MOS结构处于非平衡状态，N型沟道的厚度、 能带连同其费米能级沿y方向均随着电压的变化发 生倾斜。
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漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
当VGS＞VT，且固定为某一值时，分析漏 源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不
同变化对沟道的影响,见右图。
对N型沟道和P型衬底之间的PN结来讲， 结上的偏置情况沿沟道方向发生变化。 靠近源端处PN结为正偏，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。从而，沟道 的截面积也不相等，靠源端处沟道的截 面积最大，沿沟道方向逐步减小，靠漏 断处的沟道截面积最小。
（1） 表面空间电荷层和反型层 ¾ 表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面
的感生电荷。 ¾ MIS结构上加电压后产生感生电荷的四种情况。
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以P半导体的MIS结构为例。
• 当栅上加负电压，所产生的感生电荷是被吸引到表面的多子 （空穴），在半导体表面形成积累层。
• 当栅上加正电压，电场的作用使多数载流子被排斥而远离表 面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成耗 尽层。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量很 少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负 空间电荷区加宽。
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（II）饱和区
当VDS增加到使漏端沟道截面积减 小到零时，称为沟道“夹断”。
沟道夹断后，若VDS再增加，增加 的漏压主要降落在夹断点到漏之间 的高阻区，此时，漏电流基本不随 漏电压增加，因此称为饱和区。出 现夹断时的VDS称为饱和电压VDSat， 与之对应的电流为饱和漏电流IDSat。
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（IV）亚阈区
1. 当栅电压低于阈值电压，半导体表面仅仅只是弱反型时，相应 的漏电流称为亚阈值电流。
2. 在亚阈值区，对于漏电流起决定作用的是载流子扩散而不是漂
移。漏电流可以用推导均匀掺杂基区的双极晶体管集电极电流
的相同方法导出
I D ~ e(VG −VT ) VT
I D 和 VG − VTH 成指数关系。
此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
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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
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6.1 MOSFET的基本结构 MOS场效应晶体管的结构
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6.3 MOSFET的直流特性
(1) 阈值电压
• 平带电压VFB 在 实 际 的 MOS 结 构 中 ， 栅 氧 化 层 中 往 往 存 在 电 荷 （ Qfc ） ， 金 属 — 半 导 体 功 函 数 差 Vms 也 不 等 于 零 （金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量E0和费米能级之差），因此，当VG＝0时 半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直， 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影 响，这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB
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(4) MOSFET的直流特性曲线
（I）MOSFET的转移特性曲线 反映了栅对漏源沟道电流的调控情况
转移特性曲线斜率gm
的大小反映了栅源电 压对漏极电流的控制
作用。gm也称为跨导
跨导的定义式如下:
gm=ΔID/ΔVGS⏐ VDS=const
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（II）MOSFET的输出特性曲线
D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。
B(substrate),衬底极。
通常接地，有时为了控制电流或由
于电路结构的需要，在衬底和源之 间也加一个小偏压(VBS)。
若栅极材料用金属铝，则称“铝栅”器件；
若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前绝 大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。
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(3) 衬底偏置效应
• 的VBS影≠响0，。衬底加偏压后对MOSFET的特性将有一系列 • 态加，衬由偏于电表压面后空，间即电使荷VD区S＝的0宽，度沟随道着也衬处底于偏非置平电衡压状
的增大而展宽，会有更多的空穴被耗尽，使表面空 间电荷区的面密度也随之而增大。因而要在半导体 表面产生同样数量的导电电子，必须加比平衡态更 大的栅源电压，阈值电压也就随偏置电压的增大而 增大。 • 由于反型层电荷减少，沟道电导下降，衬底偏置将 使IDS下降。
• 随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面 的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表面 的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反型 层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中 的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。
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（2） 形成反型层的条件
¾当VG较小时，表面处的能带 只是略微向下弯曲，使表面费 米能级EF更接近本征费米能级 Ei，空穴浓度减少，电子浓度 增加，但与电离受主的空间电 荷相比仍较少，可忽略。
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¾VG继续增大，使表面费米能级 EF与本征费米能级Ei相等时，表 面电子浓度开始要超过空穴浓 度，表面将从P型转为N型，称 为“弱反型”。发生弱反型时， 电子浓度仍旧很低，并不起显 著的导电作用。
3. 用做数字逻辑电路开关及存储器使用时，亚阈值区特别重要。 这是因为亚阈值区描述了开关如何导通和截止。
4. 必须将MOSFET偏置在比 VTH 低0.5V（实例）或更低的电压值下 ，以使亚阈值区电流减小到可以忽略不计。
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亚阈摆幅(s): ID-VG曲线斜率的倒数，室温下理想值是60mV/dec。
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6.4 短沟道效应和窄沟道效应
(1)短沟道效应
• 长沟道理论假定沟道长度大到足可以忽略边缘效应，因而 沿沟道边缘的“边缘”效应可以忽略，用缓变沟道近似对器 件进行一维分析。如果器件的沟道长度小到可以与源结和 漏结的耗尽层宽度相比拟时，源结和漏结的耗尽区将对沟 道内电势分布有着显著的影响，不能再用缓变沟道近似来 处理，而要用二维分析。同时沟道内自由载流子的漂移速 度将达到饱和,将偏离了长沟器件特性的种种现象总称为短 沟道效应。具体来说，短沟道效应主要指(1)阈值电压随沟 道长度的下降而下降；(2)沟长缩短以后，漏源间高电场使 迁移率下降，跨导下降；(3)弱反型漏电流将随沟道长度缩 小而增加，并出现夹不断的情况。
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漏源电压VDS对沟道的影响
（I）线性区
当VDS为0或较小时，沟道分布如右 图，此时VDS 基本均匀降落在沟道
中，沿沟道方向沟道截面积不相等 的现象很不明显，因此，源漏电流 IDS随VDS几乎是线性增加的。
I DS
=
μnCOX
W L
(VGS
− VT
−
1 2
VDS
)VDS
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，漏端处的沟道变窄，沟道电阻增大， 使ID随VDS变化趋势减慢，偏离直线关系。
电离施主发出的场强线的一部分将终止在交界区的电离受主上，
交界区的另一部分电离受主用来终止栅极正电荷发出的场强线。
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若将这种边缘效应考虑在内，VDS≈0条件下，表面耗尽 区占有的空间变成截面为梯形的立方体。与不考虑边缘 效应相比，表面耗尽区总电荷量减少，于是真正受到栅 极控制的表面空间电荷区将随沟长的缩短而减小，引起 阈值电压的漂移。
对于表面反型层中的电子，一边是绝缘层，一边是 导带弯曲形成的一个陡坡（空间电荷区电场形成的 势垒），因此，反型层通常又称沟道。
P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P沟道。
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（3）发生强反型时，
能带向下弯曲2qVF，即表面势达到费米势的两倍：
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VFB
= Vms
−
Q fc COX
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界面陷阱和氧化物电荷的影响
N
Leabharlann Baidu+ a
可移动离子电荷 Qm
K+
+++ −−−
氧化物固定电荷 Qf
氧 化物 陷 阱 电 荷 Q ot
++++
××××××××
界 面 陷 阱 电 荷 Qit
金属
SiO 2 Si
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图 6-13 热 氧化硅形成的 Si − SiO 2 系 统中
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栅极加正电压表面达到强反型 时，可以想像栅极上的每个正 电荷都有场强线发出，长沟器 件中不考虑边缘效应前提下， 这些场强线将终止在反型层内 的电子上，或终止在耗尽区内
ΔL
B
C
x
dM
=W C
xj
WS
A
D
WD
L
分析短沟道效应的器件几何模型
的电离受主上，表面空间电荷区里的负电荷是栅上正电荷的“感 应电荷”，所有场强线垂直于Si/SiO2界面，在VDS＝0条件下，表 面耗尽区分布于截面为矩形的立方体内。沟道长度缩短，n+源区
第六章 MOS场效应晶体管
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主要内容
一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的工作原理 三、MOSFET的直流特性曲线 四、MOSFET的种类 五、MOSFET的电容与频率特性 六、MOSFET的技术发展
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随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。
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对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质扩散 而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟 道区长度为L，宽度为W。
对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低 的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流方 向由漏端流向源端。
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6.2 MIS结构