金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构.ppt

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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?,

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