MOS晶体管的发展概况及特点

MOS晶体管的发展概况及其特点引言：在过去的近十年，大规模集成电路技术突飞猛进，很大程度上与MOS晶体管的使用和发展有关系。MOS晶体管自从进入集成电路制造行业，通过不断的发展，至今已成为工业中最重要的电子器件之一。但是，电子信息产业的发展对集成元器件提出了更高的要求，如何在已有的MOS晶体管技术上实现下一代MOS晶体管技术也是需要我们去思考的问题。本文旨在对MOS晶体管的发展概况及其特点做一个概要的介绍，并在此基础上，根据作者已有的知识谈谈晶体管的发展趋势。MOS晶体管的概念MOS晶体管的全称是金属-氧化物-半导体场效应管（MetalOxideSemiconductor）。在竖直方向上，MOS晶体管是由栅电极、栅绝缘层和半导体衬底构成的一个层次结构，在水平方向上，MOS晶体管由源区、沟道区和漏区3个区构成，沟道区和硅衬底相通，也叫做MOS晶体管的体区。一个MOS晶体管有4个引出端：栅极、源极、漏极和体端。因为栅极通过二氧化硅绝缘层和其他区域隔离，MOS晶体管又叫做绝缘场效应晶体管。MOS晶体管的发展1.MOS晶体管的发展历史MOS晶体管的发明可追溯到20世纪30年代初。1930年，德国科学家Lilienfeld（利林费尔德）提出了场效应晶体管的概念。之后，贝尔实验室的Shockley（肖克利）、Bardeen（巴丁）和Brattain（布拉顿）开始尝试发明场效应晶体管。尽管这一尝试以失败告终，却最终导致Bardeen和Brattain在1947年意外地发明了点接触双极晶体管。1949年Shockley用少子注入理论阐明了双极晶体管的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。1960年，Kahng和Attala在用二氧化硅（SiO2）改善双极晶体管性能的过程中意外地发明了MOS场效应晶体管(简称MOS晶体管)，从此，MOS晶体管进入集成电路的制造行业，并逐渐成为了电子工业中最重要的电子器件。2.MOS晶体管的发展现状自20世纪60年代开发出MOS管以来，由于半导体工艺技术的发展，它的性能不断提高：如高压功率MOS的工作电压可以达到1000V；低导通电阻MOS的阻值仅1欧姆；工作频率范围从直流到达数兆赫；开发出了各种贴片式的MOS。此外，价格也不断降低，使其应用越来越广泛，在许多领域代替了双极型晶体管。现今半导体元件的材料通常以硅为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM使用硅与锗的混合物所发展的硅锗制程。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓，因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造MOSFET元件。近年来，国外不断从工艺、设计等方面进行改进，并采用微细加工技术，使MOS的性能得到很大的提高。这些性能，包括导通电阻的降低，高频的实现，高耐压的实现，雪崩容量的改善，提高抗静电能力等。就MOSFET的应用而言，其应用领域广泛。其主要用于电脑周边，比如软硬件驱动、打印机、绘图机等，还包括电源、汽车电子、仪器仪表等等。3.MOS晶体管的前沿技术和发展方向目前，人们正在尝试用各种技术来制作双栅晶体管。比如，通过隧道选择外延生长形成有源区，或者采用硅片键合技术，形成栅电极和沟道区后再进行外延生长源漏区等。双栅MOS晶体管与单栅相比，虽然具有更好的可缩小性，但是双栅结构仍不是最终的解决方案，它的可缩小能力是有限的。对于MOSFET而言，其内在矛盾很多，而其中的一个重要矛盾就是其工作频率的提高与增益的提高是不相容的，这集中就表现在它的“工作频带宽度与电压增益的乘积等于一个常数”这个关系上（该常数就是特征频率fT）。由于MOSFET的上述内在矛盾限制着器件性能的进一步提高，所以在设计MOSFET时，就必须兼顾频率和增益这两个方面的要求，来适当地选取沟道长度和饱和电压。以不出现沟道长度调制效应为准（保证具有较高的电压增益）。因而，常规的MOSFET就难以做到既具有高的频率、又同时具有高的增益。可以说，今后MOSFET的一个重要发展方向，就是需要解决短沟道MOSFET怎么样才会不出现短沟道效应的问题。在克服MOSFET短沟道效应方面的工作，已经有了许多卓有成效的结果。例如，减小源极区和漏极区的结深；用金属—半导体接触来代替源极和漏极的PN结等。当然，要解决好短沟道MOSFET如何不出现短沟道效应这个问题，并不是一件很容易的事情，还需要进一步的研究。MOS晶体管的特点MOS晶体管属于场效应晶体管（FieldEffectTransistor,简称FET）中的绝缘栅场效应管（简称IGFET）。它是利用电场控制导通能力的半导体器件。由于场效应管是靠半导体中的多数载流子导电，所以又称为单极型晶体管。MOS场效应管不仅像双极型晶体管一样具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且它的输入阻抗高、热稳定性好、抗辐射能力强。它最大的优点是占用硅片面积小，制造工艺简单，成本低，可以在一块硅片上制作由百万以上个场效应管组成的电路。1.MOS晶体管结构示意图上图所示为N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图。它是以一块掺杂浓度较低的P型硅片作衬底，利用光刻扩散工艺，在硅片中制作两个高掺杂的N+区，分别称为源区和漏区，源区、漏区和P型衬底之间形成PN结。从源区和漏区各引出一个电极，分别称为源极S和漏极D。在两个N+扩散区之间的硅衬底表面生成一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在绝缘层上再蒸发一层金属铝（目前多采用导电的多晶硅代替金属），并引出一个电极，称为栅极G。由于G、S、D之间是绝缘的，故称之为绝缘栅极场效应管。在栅极氧化层下源区与漏区之间的部分可形成N型导电沟道。2.MOS晶体管的工作原理当栅极和源极之间不加电压时，漏极之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏极和源极之间加电压，也不会有漏极电流，即器件不导通，而是处于隔离状态；当栅极和源极之间外加电压，并当电压达到一个阈值（称为阈值电压VT）时，器件导通。MOS晶体管按照导电沟道可以分为N沟道和P沟道。每种沟道又分别对应两种类型，即增强型（E型）和耗尽型（D型）。所以，MOS场效应管有N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型和P沟道耗尽型四种。以N沟道增强型为例：（a）线性区VDSVGS-VT（b）预夹断点VDS=VGS-VT（c）饱和区VDSVGS-VTN沟道增强型直流伏安特性曲线：3.MOS晶体管特点应用（1）数字逻辑门由于栅极和源极之间有绝缘介质二氧化硅（SiO2）的隔离，因此MOS晶体管呈现纯电容性的高输入阻抗。输入阻抗高，所以MOS晶体管允许很高的扇出（fanout）。所谓扇出是指单个逻辑门能够驱动的数字信号输入最大量。一个典型的TTL（TimeToLive，生存时间）逻辑门有十个扇出信号，可以为10个其他数字门或驱动器提供信号，所以MOS晶体管被广泛应用于各种数据系统。输入阻抗越高，允许的扇出越大，那么能够驱动的数字信号输入量也越大，驱动、缓冲效果也会越明显。（2）开关MOS晶体管在导通时通道电阻低，而在静止时电阻近乎无限放大，所以适合作为类比讯号（模拟信号）的开关，这样，讯号（通过电磁波发出的信号）的能量不会因为开关的电阻而损失太多。MOS晶体管的开关速度和Cin（输入电容）充放电有很大关系。同时，可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，从而加快开关速度。由于其不存在少子储存效应，所以关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。MOS晶体管为场控器件，虽然静态时几乎不需输入电流，但是在开关过程中需对输入电容充放电，故仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。目前应用最广泛的为双向开关，即CMOS开关。它由一个PMOS加一个NMOS组成。这样做的好处是在大部分的输入电压下,PMOS和NMOS皆同时导通，如果任一边的导通电阻上升，则另一边的导通电阻就会下降，所以开关的电阻几乎可以保持定值，克服了单一MOSFET开关讯号失真的缺点。（3）CMOS由NMOS电路和PMOS电路组成的CMOS电路在当代大规模和超大规模集成电路中占据主导地位。除了继承了MOS晶体管的输入阻抗高，热稳定性好，抗干扰能力强等特点外，还具有如下几个特点。①功率小CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通而另一个截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。②工作电压范围宽CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在3—18V电压下正常工作。③逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平1、逻辑低电平0分别接近于电源高电位VDD和电源低电位VSS..当VDD=15V,VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压利用系数在各类集成电路中是较高的。④可控性好CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%-140%。作为现代信息技术的基础，MOS晶体管的使用几乎无处不在。从日常的家用电器到各种通讯设备，航空航天等各种国防设备，处处都有MOS晶体管的身影。而以MOS晶体管为基础组成的集成电路的技术性能、产业规模决定着一个国家现代工农业、国防装备和家庭电子类消费品的发展水平及国际竞争力，是现代经济发展的原动力。相信随着科学技术的不断发展，MOS晶体管的作用会越来越大，为人类提供更优质的服务。主要参考文献：书籍：《电子线路基础（第二版）》高等教育出版社高文焕李冬梅编网络资源：百度百科之MOSFET（）百度百科之MOS集成电路（）