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1、第三章金属氧化物半导体场效应晶体管,Metal Oxide Semiconductor Filed Effect TransistorMOSFET,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,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
2、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,器件版图和结构参数,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,端电压的定义,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 I
3、DS，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：,端电流的定义,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,基本假定（1）,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
4、有能带弯曲。,基本假定（2）,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）,VGS=0,n+,n+,VDS0,p-substrate,S,B,IDS=0,直流特性的定性描述：工作原理,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。,直流特性的定性描述：工作原理,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）,当VDS很小时，它对反型层影响很小，表面沟
5、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,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。,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，因而超过VDsat的电压主要降落在夹断区。对于长沟道（LL）器件，夹断后漏电流基本保持不变，因为，夹断点P点的电压VDsat保持不变，从源到P点的
6、载流子数目不变，因而从漏到源的电流也不变化。,一般长沟道器件的 IDSVDS 特性,Ohmic,Saturated,直流特性的定性描述：转移特性,MOSFET的电流由器件内部的电场控制（栅压引起的纵向电场和漏电压引起的横向电场）,因而称为场效应晶体管。,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,MOSFET的分类（1）,MOSFET的分类（2）,NMOS：电压更正的称漏PMOS：电压更正的称源NMOS：衬底接最低电位PMOS：衬底接最高电位,源：提供载流子漏：吸收载流子,电子,空穴,源、漏、体？,
