MOS 晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理

1、MOS晶體管結(jié)構(gòu)和工作晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理原理Liyy 2003-10-27MOS 晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理pMOS 晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)n結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖n平面圖平面圖nMOS晶體管種類晶體管種類nMOS晶體管符號(hào)晶體管符號(hào)pMOS晶體管工作原理晶體管工作原理nMOSFET 特性特性nMOS IV CURVEnMOS 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)nMOS熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) MOS 晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)p結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖VgVsVdFOXN+N+LW柵（柵（G）源（源（S）漏（漏（D）VbP 襯底（襯底（B）FOX MOS 晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)p平面圖平面圖TOPOLYW1 MOS

2、晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)p在正常工作條件下，柵電壓Vg產(chǎn)生的電場(chǎng)控制著源漏間溝道區(qū)內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)。由于器件的電流由器件內(nèi)部的電場(chǎng)控制 - MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）p柵極與其它電極之間是絕緣的 - 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （IGFET） MOS 晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)pMOS晶體管種類晶體管種類n按溝道區(qū)中載流子類型分按溝道區(qū)中載流子類型分N溝MOS晶體管：襯底為P型，源漏為重?fù)诫s的N+，溝道中 載流子為電子P溝MOS晶體管：襯底為N型，源漏為重?fù)诫s的P+，溝道中 載流子為空穴 在正常情況下，只有一種類型的載流子在工作，因此也稱其為單極晶體管 MOS 晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)pMOS晶體管種類晶體

3、管種類n按工作模式分按工作模式分 增強(qiáng)型晶體管：若在零柵壓下不存在漏源導(dǎo)電溝道，為了形 成導(dǎo)電溝道，需要施加一定的柵壓，也就是 說(shuō)溝道要通過(guò)“增強(qiáng)”才能導(dǎo)通耗盡型晶體管：器件本身在漏源之間就存在導(dǎo)電溝道，即使 在零柵壓下器件也是導(dǎo)通的。若要使器件截 止，就必須施加?xùn)艍菏箿系篮谋M MOS 晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)pMOS晶體管符號(hào)晶體管符號(hào)nNMOS：nPMOS：GDBSGDBGDSGDSGDSGDBSGDBGDS MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS晶體管特性晶體管特性 N溝溝MOS 截面圖截面圖VsVdVgXsdN+N+Xdd耗盡區(qū)邊界QgQbQiP Substrate (Nb)VbL MOS

4、晶體管特性晶體管特性pMOS晶體管特性晶體管特性 假定漏端電壓Vds為正，當(dāng)柵上施加一個(gè)小于開(kāi)啟電壓的正柵壓時(shí)，柵氧下面的P型表面區(qū)的空穴被耗盡，在硅表面形成一層負(fù)電荷，這些電荷被稱為耗盡層電荷Qb。這時(shí)的漏源電流為泄漏電流。 如果VgsVth，在P型硅表面形成可移動(dòng)的負(fù)電荷Qi層，即導(dǎo)電溝道。由于表面為N型的導(dǎo)電溝道與P型襯底的導(dǎo)電類型相反，因此該表面導(dǎo)電溝道被稱為反型層。 MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS晶體管特性晶體管特性 在Vgs=Vth時(shí)，表面的少數(shù)載流子濃度（電子）等于體內(nèi)的多數(shù)載流子（空穴）的濃度。 柵壓越高，表面少數(shù)載流子的電荷密度Qi 越高。（可動(dòng)電荷Qi也可稱為反型電荷

5、）此時(shí)，如果漏源之間存在電勢(shì)差，由于載流子（NMOS中為電子）的擴(kuò)散，會(huì)形成電流Ids。這時(shí)PN結(jié)的泄漏電流仍然存在，但它與溝道電流相比非常小，一般可以忽略。 由于反型電荷Qi強(qiáng)烈地依賴與柵壓，因此可以利用柵壓控制溝道電流。 MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS IV CURVE線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)漏電壓漏電流（a）（b）MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS IV CURVEn線性區(qū)線性區(qū) 對(duì)于固定的Vgs(Vth)，當(dāng)漏壓很小時(shí)，漏電流Ids隨漏壓的增加而線性增加。但隨著漏壓的增加，漏電流的增加速度不斷減小直到Ids達(dá)到某一恒定的飽和值。 在這個(gè)工作區(qū)，MOS表現(xiàn)出類似于電阻的特性，并且

6、隨著柵壓的變化而變化，即溝道電阻隨著柵壓的增加而減小。 這個(gè)區(qū)域也叫可調(diào)電阻區(qū)。MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS IV CURVEn飽和區(qū)飽和區(qū)SDGPVgsVdsVgs-VthMOS 晶體管特性晶體管特性pMOS IV CURVEn飽和區(qū)飽和區(qū) 在漏源之間接上電壓Vds，則溝道區(qū)的電位 從靠近源端的零電位逐漸升高到靠近漏斷的Vds。而柵極的電位是恒定的，所以在溝道從源極到漏極不同位置上，柵極與溝道之間的電位差是不等的，因而溝道不同位置上的表面電場(chǎng)也是不等的。那么溝道中積累的可動(dòng)載流子也隨著電位差從源到漏由多到少，溝道也由厚到薄，溝道的導(dǎo)電能力隨之下降，漏源輸出電流隨Vds上升的速度降下來(lái)

7、，故Ids曲線逐漸趨向平緩。 當(dāng)Vds進(jìn)一步增大時(shí)：VdsVgs-Vt，漏端的溝道消失，即漏端的溝道被夾斷，這個(gè)夾斷區(qū)成了漏源之間電流通路上電阻最大的區(qū)域。在夾斷后Vds的繼續(xù)增大都集中降落在夾斷區(qū)，因此盡管Vds增大了，溝道兩端的電壓降仍是Vgs-Vt不變。這使得經(jīng)過(guò)溝道漂移進(jìn)入夾斷區(qū)的電子流也基本上不隨Vds的增加而改變，Ids也就不變了，所以曲線幾乎變?yōu)橹本€。MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS IV CURVEn擊穿區(qū)擊穿區(qū) 飽和區(qū)之后，若Vds進(jìn)一步增加，晶體管進(jìn)入擊穿區(qū)，Ids隨Vds迅速增大，直至引起漏-襯PN結(jié)擊穿，這是由于漏端高電場(chǎng)引起的。n截止區(qū)截止區(qū) 在該區(qū)域，VgsVt

8、h，因此漏源之間不存在導(dǎo)電溝道，即Ids=0。但實(shí)際上漏源電流并不為0，而是按指數(shù)規(guī)律隨柵壓變化，通常稱為弱反型電流或亞域值電流。在弱反型時(shí)，P型硅表面變?yōu)镹型，但這種反型很弱，表面電子濃度低于體內(nèi)空穴的濃度。由于低的電子濃度沿溝道產(chǎn)生的電場(chǎng)較低，因此亞域值電流主要由載流子擴(kuò)散引起。 MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng) 當(dāng)襯底施加偏壓時(shí)，勢(shì)壘高度的增加導(dǎo)致耗盡區(qū)寬度的增加，因此對(duì)于給定的Vgs和Vds，Vbs的增加會(huì)使Ids減小。這是因?yàn)閂bs增加，體電荷Qb增加，而Vgs和Vds不變，由于柵電荷Qg固定，根據(jù)電荷守恒定律Qg=Qi+Qb，所以Qi反型層電荷減少，因此

9、電導(dǎo)減少。 而這時(shí)，如果要使MOS晶體管開(kāi)啟即進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū)，就是反型層電荷相應(yīng)的增加那就要提高柵電壓，增加?xùn)烹姾?。所以?dāng)MOS襯底施加偏壓時(shí)，MOS晶體管的開(kāi)啟電壓會(huì)升高。MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng)VsVdVgSiO2Vb耗盡層襯底電流N+源N+漏由于光子產(chǎn)生的少子電流正向注入P- 襯底MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 當(dāng)溝道長(zhǎng)度減小，同時(shí)保持電源電壓不變，溝道區(qū)靠近漏端附近的最大電場(chǎng)增加。隨著載流子從源向漏移動(dòng)，它們?cè)诼┒烁唠妶?chǎng)區(qū)將得到足夠的動(dòng)能，引起碰撞電離，一些載流子甚至能克服Si-SiO2界面勢(shì)壘進(jìn)入氧化層，這些高能載流子不

10、再保持它們?cè)诰Ц裰械臒崞胶鉅顟B(tài)，并且具有高于熱能的能量，因此稱它們?yōu)闊彷d流子。對(duì)于正常工作中的MOSFET，溝道中的熱載流子引起的效應(yīng)稱為熱載流子效應(yīng)。 當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，熱載流子將通過(guò)電離產(chǎn)生次級(jí)電子-空穴對(duì)，其中電子形成了從漏到源的電流，碰撞產(chǎn)生的次級(jí)空穴將漂移到襯底區(qū)形成襯底電流Ib。通過(guò)測(cè)量Ib可以很好地監(jiān)控溝道熱載流子和漏區(qū)電場(chǎng)的情況。MOS 晶體管特性晶體管特性pMOS熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 由于Si-SiO2的界面勢(shì)壘較高，注入到柵氧化層中的熱載流子與碰撞電離產(chǎn)生的熱載流子相比非常少，因此柵電流比襯底電流要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 熱載流子注入到柵氧層中還會(huì)引起其它的一些效應(yīng)，主要有（1）熱載流子被SiO2中電激活的缺陷俘獲，是氧化