MOS场效应管

MOS场效应管MOS晶体管金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-ICMOSFET的结构MOSFET是Metal-Oxide-SiliconFieldEffectTransistor的英文缩写，平面型器件结构，按照导电沟道的不同可以分为NMOS和PMOS器件。MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子（多数载流子）器件。用跨导描述其放大能力。MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。NMOS和PMOS在结构上完全相像，所不同的是衬底和源漏的掺杂类型。简单地说，NMOS是在P型硅的衬底上，通过选择掺杂形成N型的掺杂区，作为NMOS的源漏区；PMOS是在N型硅的衬底上，通过选择掺杂形成P型的掺杂区，作为PMOS的源漏区。如图所示，两块源漏掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。对于这种简单的结构，器件源漏是完全对称的，只有在应用中根据源漏电流的流向才能最后确认具体的源和漏。器件的栅电极是具有一定电阻率的多晶硅材料，这也是硅栅MOS器件的命名根据。在多晶硅栅与衬底之间是一层很薄的优质二氧化硅，它是绝缘介质，用于绝缘两个导电层：多晶硅栅和硅衬底，从结构上看，多晶硅栅-二氧化硅介质-掺杂硅衬底(Poly-Si--SiO2--Si)形成了一个典型的平板电容器，通过对栅电极施加一定极性的电荷，就必然地在硅衬底上感应等量的异种电荷。这样的平板电容器的电荷作用方式正是MOS器件工作的基础。MOS管的模型MOS管的等效电路模型及寄生参数如图2所示。图2中各部分的物理意义为：（1）LG和RG代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。（2）C1代表从栅极到源端N+间的电容，它的值是由结构所固定的。（3）C2+C4代表从栅极到源极P区间的电容。C2是电介质电容，共值是固定的。而C4是由源极到漏极的耗尽区的大小决定，并随栅极电压的大小而改变。当栅极电压从0升到开启电压UGS（th）时，C4使整个栅源电容增加10%～15%。（4）C3+C5是由一个固定大小的电介质电容和一个可变电容构成，当漏极电压改变极性时，其可变电容值变得相当大。（5）C6是随漏极电压变换的漏源电容。MOS管输入电容（Ciss）、跨接电容（Crss）、输出电容（Coss）和栅源电容、栅漏电容、漏源电容间的关系如下：工作特点栅极控制器件，源、漏扩散区为反偏pn结，外加电压，器件不导通，处于隔离状态；外加栅极电压，直到电压达到一个阈值（称为阈值电压VT），器件导通。以SiO2为栅介质时，叫MOS器件，这是最常使用的器件形式。历史上也出现过以Al2O3为栅介质的MAS器件和以Si3N4为栅介质的MNS器件，以及以SiO2+Si3N4为栅介质的MNOS器件，统称为金属-绝缘栅-半导体器件--MIS器件。以Al为栅电极时，称铝栅器件。以重掺杂多晶硅(Poly-Si)为栅电极时，称硅栅器件。它是当前MOS器件的主流器件。硅栅工艺是利用重掺杂的多晶硅来代替铝做为MOS管的栅电极，使MOS电路特性得到很大改善，它使|VTP|下降1.1V，也容易获得合适的VTN值并能提高开关速度和集成度。硅栅工艺具有自对准作用，这是由于硅具有耐高温的性质。栅电极，更确切的说是在栅电极下面的介质层，是限定源、漏扩散区边界的扩散掩膜，使栅区与源、漏交迭的密勒电容大大减小，也使其它寄生电容减小，使器件的频率特性得到提高。另外，在源、漏扩散之前进行栅氧化，也意味着可得到浅结。铝栅工艺为了保证栅金属与漏极铝引线之间有一定的间隔，要求漏扩散区面积要大些。而在硅栅工艺中覆盖源漏极的铝引线可重迭到栅区，这是因为有一绝缘层将栅区与源漏电极引线隔开，从而可使结面积减少30%~40%。硅栅工艺还可提高集成度，这不仅是因为扩散自对准作用可使单元面积大为缩小，而且因为硅栅工艺可以使用“二层半布线”即一层铝布线，一层重掺杂多晶硅布线，一层重掺杂的扩散层布线。由于在制作扩散层时，多晶硅要起掩膜作用，所以扩散层不能与多晶硅层交叉，故称为两层半布线．铝栅工艺只有两层布线：一层铝布线，一层扩散层布线。硅栅工艺由于有两层半布线，既可使芯片面积比铝栅缩小50%又可增加布线灵活性。当然，硅栅工艺较之铝栅工艺复杂得多，需增加多晶硅淀积、等离子刻蚀工序，而且由于表面层次多，台阶比较高，表面断铝，增加了光刻的困难，所以又发展了以Si3N4作掩膜的局部氧化LOCOS--Localoxidationonsilicon(又称为MOSIC的局部氧化隔离工艺LocalOxidationIsolationforMOSIC)，或称等平面硅栅工艺。扩散条连线由于其电容较大，漏电流也较大，所以尽量少用，一般是将相应管子的源或漏区加以延伸而成。扩散条也用于短连线，注意扩散条不能跨越多晶硅层，有时把这层连线称为“半层布线”。因硼扩散薄层电阻为30～120Ω/□，比磷扩散的R□大得多，所以硼扩散连线引入的分布电阻更为可观，扩散连线的寄生电阻将影响输出电平是否合乎规范值，同时也因加大了充放电的串联电阻而使工作速度下降。因此，在CMOS电路中，当使用硼扩散条做连线用时要考虑到这一点。当在NMOS的栅上施加相对于源的正电压VGS时，栅上的正电荷在P型衬底上感应出等量的负电荷，随着VGS的增加，衬底中接近硅-二氧化硅界面的表面处的负电荷也越多。其变化过程如下：当VGS比较小时，栅上的正电荷还不能使硅-二氧化硅界面处积累可运动的电子电荷，这是因为衬底是P型的半导体材料，其中的多数载流子是正电荷空穴，栅上的正电荷首先是驱赶表面的空穴，使表面正电荷耗尽，形成带固定负电荷的耗尽层。这时，虽然有VDS的存在，但因为没有可运动的电子，所以，并没有明显的源漏电流出现。增加VGS，耗尽层向衬底下部延伸，并有少量的电子被吸引到表面，形成可运动的电子电荷，随着VGS的增加，表面积累的可运动电子数量越来越多。这时的衬底负电荷由两部分组成：表面的电子电荷与耗尽层中的固定负电荷。如果不考虑二氧化硅层中的电荷影响，这两部分负电荷的数量之和等于栅上的正电荷的数量。当电子积累达到一定水平时，表面处的半导体中的多数载流子变成了电子，即相对于原来的P型半导体，具有了N型半导体的导电性质，这种情况称为表面反型。根据晶体管理论，当NMOS晶体管表面达到强反型时所对应的VGS值，称为NMOS晶体管的阈值电压VTN(ThresholdvoltageforN-channeltransistor)。这时，器件的结构发生了变化，自左向右，从原先的n+-p-n+结构，变成了n+-n-n+结构，表面反型的区域被称为沟道区。在VDS的作用下，N型源区的电子经过沟道区到达漏区，形成由漏流向源的漏源电流。显然，VGS的数值越大，表面处的电子密度越大，相对的沟道电阻越小，在同样的VDS的作用下，漏源电流越大。当VGS大于VTN，且一定时，随着VDS的增加，NMOS的沟道区的形状将逐渐的发生变化。在VDS较小时，沟道区基本上是一个平行于表面的矩形，当VDS增大后，相对于源端的电压VGS和VDS在漏端的差值VGD逐渐减小，并且因此导致漏端的沟道区变薄，当达到VDS=VGS-VTN时，在漏端形成了VGD=VGS-VDS=VTN的临界状态，这一点被称为沟道夹断点，器件的沟道区变成了楔形，最薄的点位于漏端，而源端仍维持原先的沟道厚度。器件处于VDS=VGS-VTN的工作点被称为临界饱和点。在逐渐接近临界状态时，随着VDS的增加，电流的变化偏离线性，NMOS晶体管的电流-电压特性发生弯曲。在临界饱和点之前的工作区域称为非饱和区，显然，线性区是非饱和区中VDS很小时的一段。继续在一定的VGS条件下增加VDS(VDSVGS-VTN)，在漏端的导电沟道消失，只留下耗尽层，沟道夹断点向源端趋近。由于耗尽层电阻远大于沟道电阻，所以这种向源端的趋近实际上位移值∆L很小，漏源电压中大于VGS-VTN的部分落在很小的一段由耗尽层构成的区域上，有效沟道区内的电阻基本上维持临界时的数值。因此，再增加源漏电压VDS，电流几乎不增加，而是趋于饱和。这时的工作区称为饱和区。NMOS晶体管的电流—电压特性曲线如图3所示。事实上，由于∆L的存在，实际的沟道长度L将变短，对于L比较大的器件，∆L/L比较小，对器件的性能影响不大，但是，对于短沟道器件，这个比值将变大，对器件的特性产生影响。器件的电流-电压特性在饱和区将不再是水平直线的性状，而是向上倾斜，也就是说，工作在饱和区的NMOS器件的电流将随着VDS的增加而增加。这种在VDS作用下沟道长度的变化引起饱和区输出电流变化的效应，被称为沟道长度调制效应。衡量沟道长度调制的大小可以用厄莱(Early)电压VA表示，它反映了饱和区输出电流曲线上翘的程度。双极性晶体管的输出特性曲线形状与MOS器件的输出特性曲线相似，但线性区与饱和区恰好相反。MOS器件的输出特性曲线的参变量是VGS，双极性晶体管的输出特性曲线的参变量是基极电流IB。衡量沟道长度调制的大小可以用厄莱(Early)电压VA表示，它反映了饱和区输出电流曲线上翘的程度。PMOS的工作原理与NMOS相类似。因为PMOS是N型硅衬底，其中的多数载流子是电子，少数载流子是空穴，源漏区的掺杂类型是P型，所以，PMOS的工作条件是在栅上相对于源极施加负电压，亦即在PMOS的栅上施加的是负电荷电子，而在衬底感应的是可运动的正电荷空穴和带固定正电荷的耗尽层，不考虑二氧化硅中存在的电荷的影响，衬底中感应的正电荷数量就等于PMOS栅上的负电荷的数量。当达到强反型时，在相对于源端为负的漏源电压的作用下，源端的正电荷空穴经过导通的P型沟道到达漏端，形成从源到漏的源漏电流。同样地，VGS越负(绝对值越大)，沟道的导通电阻越小，电流的数值越大。NMOS一样，导通的PMOS的工作区域也分为非饱和区，临界饱和点和饱和区。当然，不论NMOS还是PMOS，当未形成反型沟道时，都处于截止区，其电压条件是：VGSVTN(NMOS)，VGSVTP(PMOS)，值得注意的是，PMOS的VGS和VTP都是负值。以上的讨论，都有一个前提条件，即当VGS=0时没有导电沟道，只有当施加在栅上的电压绝对值大于器件的阈值电压的绝对值时，器件才开始导通，在漏源电压的作用下，才能形成漏源电流。以这种方式工作的MOS器件被称为增强型(enhancementmode)，又称常关闭型(normally-off)MOS晶体管。所以，上面介绍的是增强型NMOS晶体管和增强型PMOS晶体管。除了增强型MOS器件外，还有一类MOS器件，它们在栅上的电压值为零时(VGS=0)，在衬底上表面就已经形成了导电沟道，在VDS的作用下就能形成漏源电流。这类MOS器件被称为耗尽型(depletionmode)，又称常开启型(normally-on)MOS晶体管。耗尽型MOS晶体管分为耗尽型NMOS晶体管和耗尽型PMOS晶体管。对于耗尽型器件，由于VGS=0时就存在导电沟道，因此，要关闭沟道将施加相对于同种沟道增强型MOS管的反极性电压。对耗尽型NMOS晶体管，由于在VGS=0时器件的表面已经积累了较多的电子，因此，必须在栅极上施加负电压，才能将表面的电子“赶走”。同样地，对耗尽型PMOS晶体管，由于在VGS=0时器件的表面已经存在积累的正电荷空穴，因此，必须在栅极上施加正电压，才能使表面导电沟道消失。使耗尽型器件的表面沟道消失所必须施加的电压，称为夹断电压VP(pinch-off)，显然，NMOS的夹断电压VPN0，PMOS的夹断电压VPP0。耗尽型NMOS晶体管夹断电压VP的符号为负。增强型NMOS晶体管阈值电压VT的符号为正。耗尽型器件的初始导电沟道的形成主要来自两个方面：①栅与衬底之间的二氧化硅介质中含有的固定电荷的感