VLSI电路与系统chap2p1讲解.ppt

第二章 MOS晶体管 ;2.1 引 言 ;MOS晶体管的介绍;MOS器件根据沟道的特性分为n沟道MOS晶体管和p沟道MOS晶体管； 在NMOS晶体管中载流子是电子； 在PMOS晶体管的载流子是空穴。 有时也将n沟道MOSFET和P沟道MOSFET，简记作NMOS和PMOS。 ;;根据栅压为零时导电沟道是否已经形成，又可将MOS晶体管分为增强型与耗尽型两类晶体管。 零栅压时，导电沟道未形成，无漏极（沟道）电流的晶体管称为增强型管 零栅压时，导电沟道已经形成，有漏极（沟道）电流流过的晶体管称为耗尽型管。 ;NMOS增强型晶体管和耗尽型晶体管漏极电流与栅极电压的关系曲线 ; 2.2 MOS晶体管工作原理 ;增强型NMOS晶体管导电机理 ;增强型NMOS晶体管的电流方程 ;MOS晶体管典型的输出特性曲线 ;;参数μn是电子的表面迁移率，它的定义是 ：; 一个典型的NMOS晶体管参数是 μ0=1250cm2/V·s ε=4ε0=4×8.85×10-14F/cm tox=1000? 所以它的导电系数为：;参数μn 、 ε、 tox是与工艺，材料有关的量。当制造工艺确定后，是不能随意改变的。 MOS晶体管沟道宽度W 与长度L 是MOS晶体管设计时一对重要的几何参数 ，是设计者能够控制改变的唯一一组参数。; 在半导体器件物理中，阈值电压VT是一个十分重要的参数，一般情况下可认为是一个常数。其实它随工作条件变化也会发生改变，较精确一些的计算公式是： ;式中，q是一个电子的电荷量；εox和εSi分别是氧化硅和硅衬底的介电常数；N是衬底掺杂浓度。 ;沟道长度调制效应 ;沟道长度调制效应;沟道的有效长度可以用以下近似公式计算 ：;MOS晶体管的输出特性曲线 ：;在计入沟道长度调制效应后，有源导通区电流表达式可以改写为 ：;NMOS增强型晶体管的转移特性曲线 ;耗尽型NMOS晶体管 ;在制造耗尽型管子时，对漏源之间的沟道区进行离子注入，产生一个n型薄层，形成导电沟道。因而在栅源电压VGS为零时导电沟道就已经存在．只要加上适当的漏源电压就可产生漏源电流。VGS和VDS对ID的控制作用原理和增强型管相似。 当栅源间施以负电压时，沟道区反型层变薄，沟道电阻增大，漏极电流ID减小。当负栅压增加到一定值时，薄反型层中载流子耗尽，沟道消失，晶体管截止，漏极电流为零。 ;耗尽型NMOS晶体管特性曲线 ;PMOS晶体管 ; PMOS晶体管基本结构 ;根据PMOS晶体管与NMOS晶体管的对偶特性，只要改变电压与电流的符号，前述NMOS晶体管的电流方程和特性曲线也适用于PMOS晶体管。但相应公式中的电子迁移率μn则应以空穴迁移率μp代替 ;在半导体硅材料中，一般室温下的空穴迁移率大约是500cm2／V·s，而电子迁移串大约是1300cm2／V·s。 在相同几何形状和相同工作条件下，PMOS晶体管的导通电阻比NMOS晶体管的导通电阻大两倍多。所以，在相同条件下NMOS器件可以做得比PMOS器件小些。换言之，NMOS器件比PMOS器件有较高的工作速度和封装密度。这就是NMOS器件用得极为广泛的重要原因。 ;NMOS、PMOS不同工作区的端电压条件;MOS晶体管的电路模型 ;NMOS晶体管基本结构;NMOS晶体管的电路模型 ;2.3 MOS集成电路工艺技术 ;第一种基本工艺步骤--氧化 ;通常氧化层厚度，薄的可小于500?(栅氧化层)，厚的可大于10000?(场氧化层)。 氧化的温度范围为700-1100℃，氧化层厚度与其生长时的温度及生长时间成比例。 氧化层的作用有三：绝缘层的作用； 保护层的作用； 电介质层的作用。 ;第二种工艺步骤--扩散 ;根据扩散时半导体表面杂质浓度变化的情况来区分，扩散有两类。 第一种类型是无限源扩散。 第二种类型是有限源扩散。 无限源扩散和有限源扩散分别用于预淀积和再扩散． 预淀积的目的是在靠近材料表面的地方形成一高浓度的杂质区．可扩散到硅中的最大杂质浓度随杂质元素而异。 ;再扩散是在预淀积之后进行，其目的是将杂质推入半导体内部． 扩散前的衬底杂质浓度和扩散进入衬底的相反类型的杂质浓度相等的地方就是半导体的“结”．这个结位于p型和n型材料之间，故称为“pn结”． ;第三种工艺步骤是离子注入 ;在施行离子注入后将半导体温度升高到800℃退火，使离子处于可动状态并嵌入到半导体晶格中去，可使晶格结构得以恢复完整。 离子注入可以替代扩散，因为这两种工艺的目的都是将杂质掺入半导体材料中。 ;离子注入和扩散相比，有许多优点。 ;第三是它可以穿透一个薄层注入，因此被注入的材料不必暴露在