金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构.pptVIP

MOSFET是一个四端器件： 栅 G （Gate），电压VG 源 S （Source），电压VS 漏 D （Drain），电压VD 衬底 B （Body），电压VB 以源端为电压参考点，端电压定义为: 漏源电压 VDS=VD - VS 栅源电压 VGS=VG - VS 体源电压 VBS=VB - VS MOSFET正常工作时，D、B和S端所加的电压要保证两个PN结处于反偏。 在直流工作下的器件，通常假设器件只有漏－源电流*或简称漏电流 IDS，并将流向漏极方向的电流定义为正。 MOSFET各端电压对漏电流都有影响，电流－电压的一般关系为： 基本假定 长沟和宽沟MOSFET：WLToxXc 衬底均匀掺杂 氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定其位于Si-SiO2界面 强反型近似成立 强反型近似 强反型时：耗尽层宽度反型层厚度*，耗尽层两端电压反型层两端的电压，耗尽层电荷反型层电荷 强反型后，栅压再增加，将导致沟道载流子数目增加，但表面耗尽层宽度不变，耗尽层电荷不变，耗尽层两端电压不变 。 *通常我们假设反型层无限薄，载流子在硅表面形成面电荷层，并且在反型层中没有能带弯曲。 在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背的PN结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也没有明显的漏源电流（忽略PN结的反向漏电流） 当在栅上加有足够大的电压时，MOS结构的沟道区就会形成反型层，它可以把源区和漏区连通，形成导电沟道，这时如果在漏源间加有一定的偏压，就会有明显的电流流过。 按照沟道类型分类 NMOS：衬底为P型，源、漏区为重掺杂的n+, 沟道中载流子为电子 PMOS：衬底为N型，源、漏区为重掺杂的P+，沟道中载流子为空穴 按照工作模式分类 增强型：零栅压时不存在导电沟道 耗尽型：零栅压时存在导电沟道 MOSFET共有4种类型：NMOS增强型、NMOS耗尽型，PMOS增强型、PMOS耗尽型 第三章 金属－氧化物－半导体场效应晶体管 Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor MOSFET 电子科学与技术系 张瑞智 本章内容 §1、MOSFET的物理结构、工作原理和类型 §2、MOSFET的阈值电压 §3、MOSFET的直流特性 §4、MOSFET的动态特性 §5、小尺寸效应 1、MOSFET的物理结构 MOSFET由一个MOS电容和靠近MOS栅控区域的两个PN结组成。 NMOSFET的三维结构图 栅 氧化层 硅衬底 源区－沟道区－漏区 P-Si gate n+ n+ Source Drain w L body 金属 Al（Al 栅） 重掺杂的多晶硅（硅栅， Polycide（多晶硅/难融金属硅化物） MOSFET的三维结构简化图 剖面图 结构参数：沟道长度 L、沟道宽度 W 、栅氧化层厚度 源漏PN结结深 材料参数：衬底掺杂浓度 、载流子迁移率 版图 S D G W L 多晶硅 有源区 金属 SiO 2 SiO 2 Si 衬底 器件版图和结构参数 端电压的定义 端电流的定义 SiO2 P-Si衬底 坐标系的定义 不作特别声明时，一般假设源和体短接（接地） 基本假定（1） 基本假定（2） VGS=0 n+ n+ VDS0 p-substrate S B IDS=0 直流特性的定性描述：工作原理 直流特性的定性描述：工作原理 VGSVT Acceptors Depl Reg n+ n+ VDS0 p-substrate Channel S B IDS 假设栅电压VGSVT，漏电压VDS开始以较小的步长增加 IDS VDS VDS（Small） VGSVT n+ n+ p-substrate Channel S B IDS 当VDS很小时，它对反型层影响很小，表面沟道类似于一个简单电阻，漏电流与VDS成正比。 直流特性的定性描述：输出特性 VGSVT n+ n+ VDS=VDSat p-substrate Channel S B IDS ID VDS VDsat IDsat Pinch-off 随着VDS的增加，它对栅的反型作用开始起负面影响，使反型层从源到漏逐渐变窄，反型载流子数目也相应减小，使IDS-VDS曲线的斜率减小。沟道载流子数目在靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型层将最终消失（称为沟道被夹断）。使沟道开始夹断的漏源电压称为漏源饱和电压，相应的电流称为饱和电流。 ID VDS VDsat IDsat ohmic saturated VGSVT n+ n+ VDSVDSat p-substrate Channel S B IDS 夹断区 当漏源电压超过饱和电压后，夹断区变宽，夹断点从漏到源移动。夹断区是耗尽区