金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件結(jié)構(gòu)

1、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件結(jié)構(gòu)第1頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三本章內(nèi)容1、MOSFET的物理結(jié)構(gòu)、工作原理和類型2、MOSFET的閾值電壓3、MOSFET的直流特性4、MOSFET的動態(tài)特性5、小尺寸效應(yīng)第2頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三1、MOSFET的物理結(jié)構(gòu)MOSFET由一個MOS電容和靠近MOS柵控區(qū)域的兩個PN結(jié)組成。NMOSFET的三維結(jié)構(gòu)圖柵氧化層硅襯底源區(qū)溝道區(qū)漏區(qū)第3頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三P-Sigaten+n+SourceDrainwLbody金屬 Al（Al 柵）重?fù)诫s的多

2、晶硅（硅柵，Polycide（多晶硅/難融金屬硅化物）MOSFET的三維結(jié)構(gòu)簡化圖第4頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三剖面圖結(jié)構(gòu)參數(shù)：溝道長度 L、溝道寬度 W 、柵氧化層厚度 源漏PN結(jié)結(jié)深材料參數(shù)：襯底摻雜濃度 、載流子遷移率版圖SDGWL多晶硅有源區(qū)金屬SiO2SiO2Si 襯底器件版圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)第5頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三MOSFET是一個四端器件：柵 G （Gate），電壓VG源 S （Source），電壓VS漏 D （Drain），電壓VD襯底 B （Body），電壓VB以源端為電壓參考點(diǎn)，端電壓定義為:漏源電壓 VDS=

3、VD - VS柵源電壓 VGS=VG - VS體源電壓 VBS=VB - VS端電壓的定義第6頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三MOSFET正常工作時(shí)，D、B和S端所加的電壓要保證兩個PN結(jié)處于反偏。在直流工作下的器件，通常假設(shè)器件只有漏源電流*或簡稱漏電流 IDS，并將流向漏極方向的電流定義為正。MOSFET各端電壓對漏電流都有影響，電流電壓的一般關(guān)系為：端電流的定義第7頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三SiO2P-Si襯底坐標(biāo)系的定義不作特別聲明時(shí)，一般假設(shè)源和體短接（接地）第8頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三基本假

4、定長溝和寬溝MOSFET：WLToxXc襯底均勻摻雜氧化層中的各種電荷用薄層電荷等效，并假定其位于Si-SiO2界面強(qiáng)反型近似成立基本假定（1）第9頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三強(qiáng)反型近似強(qiáng)反型時(shí)：耗盡層寬度反型層厚度*，耗盡層兩端電壓反型層兩端的電壓，耗盡層電荷反型層電荷強(qiáng)反型后，柵壓再增加，將導(dǎo)致溝道載流子數(shù)目增加，但表面耗盡層寬度不變，耗盡層電荷不變，耗盡層兩端電壓不變 。*通常我們假設(shè)反型層無限薄，載流子在硅表面形成面電荷層，并且在反型層中沒有能帶彎曲。基本假定（2）第10頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三在柵壓為零時(shí)，從源電極和漏電

5、極被兩個背靠背的PN結(jié)隔離，這時(shí)即使在源漏之間加上電壓，也沒有明顯的漏源電流（忽略PN結(jié)的反向漏電流）VGS=0 n+n+VDS0 p-substrateSBIDS=0直流特性的定性描述：工作原理第11頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三當(dāng)在柵上加有足夠大的電壓時(shí)，MOS結(jié)構(gòu)的溝道區(qū)就會形成反型層，它可以把源區(qū)和漏區(qū)連通，形成導(dǎo)電溝道，這時(shí)如果在漏源間加有一定的偏壓，就會有明顯的電流流過。直流特性的定性描述：工作原理VGSVTAcceptorsDepl Regn+n+VDS0 p-substrateChannelSBIDS第12頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)

6、19分，星期三假設(shè)柵電壓VGSVT，漏電壓VDS開始以較小的步長增加IDSVDSVDS（Small）VGSVTn+n+ p-substrateChannelSBIDS當(dāng)VDS很小時(shí)，它對反型層影響很小，表面溝道類似于一個簡單電阻，漏電流與VDS成正比。直流特性的定性描述：輸出特性第13頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三VGSVTn+n+VDS=VDSat p-substrateChannelSBIDSIDVDSVDsatIDsatPinch-off隨著VDS的增加，它對柵的反型作用開始起負(fù)面影響，使反型層從源到漏逐漸變窄，反型載流子數(shù)目也相應(yīng)減小，使IDS-VDS曲線的

7、斜率減小。溝道載流子數(shù)目在靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型層將最終消失（稱為溝道被夾斷）。使溝道開始夾斷的漏源電壓稱為漏源飽和電壓，相應(yīng)的電流稱為飽和電流。第14頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三IDVDSVDsatIDsatohmicsaturatedVGSVTn+n+VDSVDSat p-substrateChannelSBIDS夾斷區(qū)當(dāng)漏源電壓超過飽和電壓后，夾斷區(qū)變寬，夾斷點(diǎn)從漏到源移動。夾斷區(qū)是耗盡區(qū)，因而超過VDsat的電壓主要降落在夾斷區(qū)。對于長溝道（LL）器件，夾斷后漏電流基本保持不變，因?yàn)椋瑠A斷點(diǎn)P點(diǎn)的電壓VDsat保持不變，從源到P點(diǎn)的載流子數(shù)目不變，因而從漏到源的電流也不變化。第15頁，共20頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)19分，星期三一般長溝道器件的 IDSVDS 特性VDSIDSVGSVTVGS增加VGS0 p-substrateSp+VGSp+p+VDSVDD n-sub