MOSFET基本工作原理

111.3MOSFET基本工作原理MOS场效应晶体管的电流之所以存在，是由于反型层以及氧化层－半导体界面相邻的沟道区中的电荷流动所至。我们已经讨论了增强型MOS电容中反型层电荷形成的机理。我们也可以在P型半导体的表面人为掺杂N型杂质，以使表面反型，从而制造出耗尽型MOS器件，这种器件在零栅压时沟道就已经存在了。11.3.1MOSFET的结构如果在MOS电容系统中的半导体表面两端掺杂与衬底杂质类型相反的高浓度区，就会制成MOS器件。MOS器件共有四种类型：N沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型MOSFETP沟道增强型MOSFETP沟道耗尽型MOSFET增强型MOS器件的含义是：氧化层下面的半导体衬底在零偏压时是不反型的。即半导体表面不形成沟道。耗尽型MOS器件的含义是：氧化层下面的半导体衬底在零偏压时是反型的。即半导体表面形成了沟道。N沟道增强型MOS器件在外加电压超过其阈值电压TNV时，半导体表面才能形成反型层沟道。形成的反型层沟道由载流子电子组成。它的阈值是正值。P沟道增强型MOS器件在外加电压超过其阈值电压TPV−时，半导体表面才能形成反型层沟道。形成的反型层沟道由载流子空穴组成。它的阈值是负值。N沟道耗尽型MOSFET的阈值电压为负值。必须施加负的栅压才能将沟道中已有的电子推离表面，使表面产生耗尽状态或空穴堆积状态。P沟道耗尽型MOSFET的阈值电压为正值。必须施加正的栅压才能将沟道中已有的空穴推离表面，使表面产生耗尽状态或电子堆积状态。MOSFET是一个四端器件，分别称为：漏极（符号表示D）；源极（符号表示S）栅极（符号表示G）衬底（符号表示B）栅极和衬底分别对应我们前面讲过的MOS电容的栅极和衬底。四种MOS器件类型的电路符号和所对应的剖面图见下图2图11.35n沟增强型MOSFET的剖面图和电路符号图11.36n沟耗尽型MOSFET的剖面图和电路符号图11.37p沟增强型MOSFET的剖面图和电路符号图11.37p沟耗尽型MOSFET的剖面图和电路符号11.3.2MOS器件的电流电压关系的基本概念仍以N沟增强型MOSFET为例。图11.38是N沟MOSFET器件的结构示意图。它的源和衬底相连并接地，在它的栅上施加一个小于其阈值的栅源电压GSV＜TNV，在其漏极上加一非常小的漏源电压DSV。在这种偏置下，沟道中没有电子反型层，漏极到衬底是反向偏置，此时漏极电流为零。(a)(b)图11.38n沟增强型MOSFET:(a)所加栅压GSV＜TNV；（b）所加栅压GSV＞TNV图11.38b所示为栅压GSV＞TNV的同一个MOSFET。此时产生了电子反型层，当加一较小的源漏电压DSV时，反型层的电子将从源极流向漏极。电流将从漏极流出沿沟道流入源极。值得注意的是：这里我们假设在任何情况下，虽然栅氧化层存在着将电子吸入到氧化层的电场。但氧化层的绝缘性阻止了电子的进入，因此没有电流从栅氧化层流向栅极。对于较小的DSV，沟道区形成反型电子层具有电阻的特性，因此可得......(11.102)DdDSIgV=式中的dg为0DSV→时的沟道电导。沟道电导可由下式给出3'......(11.103)dnnWgQLμ=其中WL是MOSFET的宽长比，nμ是电子迁移率（2/cmVs−），在这里我们先假设nμ为常熟，'nQ是单位面积反型层电荷密度。由于反型层电荷是栅压的函数，因此，MOSFET的工作机理是栅压对沟道电导的调制作用，而沟道电导又决定了漏极电流的大小。对于较小的DSV，DSDSIV−的特征曲线如图11.39所示。当GSV＜TV时，漏极电流为零（曲线与平行与DSV轴）。当GSV﹥TV时，沟道中反形层电荷密度'nQ增大，从而增大了沟道电导，表现为曲线的斜率增大（实线）。GSV越大，沟道中反形层电荷密度'nQ就越大，沟道电导就越大，曲线的斜率就越大。图11.39DSV较小时，三个不同的GSV对应的DSDSIV−的特征曲线图11.40GSV﹥TV时的器件剖面和DSDSIV−曲线：(a)DSV较小时（沟道反型层电荷，耗尽区）图11.40b所示为当DSV增大的情况。随着漏电压的增大，漏端附近栅氧化层上的压降减小，漏端附近的反形层电荷密度也减小。漏端的沟道电导减小，从而使DSDSIV−曲线的斜率减小。这种效应如图的DSDSIV−曲线所示。当DSV增大到漏端的氧化层压降等于TV时，漏端的反型层电荷为零。4图11.40GSV﹥TV时的器件剖面和DSDSIV−曲线：(b)DSV稍大时（沟道反型层电荷，耗尽区）图11.40GSV﹥TV时的器件剖面和DSDSIV−曲线：(c)DSV＝()DSsatV时（沟道反型层电荷，耗尽区）图11.40GSV﹥TV时的器件剖面和DSDSIV−曲线：(c)DSV＞()DSsatV时（沟道反型层电荷，饱和区）该效应示于图11.40c中。此时，漏端的电导为零，这意味着DSDSIV−曲线的斜率为零。我们可以写为()......(11.104)GSDSTVVsatVa−=或5()......(11.104)GSTDSVVVsatb−=式中的()DSVsat是在漏端产生零反型电荷密度时的漏源电压。称为漏源饱和电压。当DSV＞()DSVsat时，沟道中反型层电荷为零的点随漏源电压的增大逐渐移向源端。这时，从源端进入沟道的电子在到达电荷为零点处，被漏端的电场扫入漏端。如果假设沟道长度的变化LΔ相对于初始的沟道长度而言很小，那么当DSV＞()DSVsat时漏极电流为一常数。这种情形在DSDSIV−特征曲线中对应于饱和区。图11.40d显示了此种情形的示意图。当GSV改变时，DSDSIV−特征曲线将有所变化。如果GSV增大，DSDSIV−曲线的斜率也会增大，由于()GSTDSVVVsat−=，所以漏源饱和电压是栅源电压的函数。由此我们可以画出N沟道增强型MOSFET的曲线族，如图11.41所示。图11.41N沟增强型MOSFET的DSDSIV−曲线图11.43N沟耗尽型MOSFET的DSDSIV−曲线图11.42是N沟耗尽型MOSFET的剖面示意图。如果N沟道区是由金属－半导体功函数差和固定氧化层电荷形成的电子反型层，那么，电流－电压特性曲线就和我们先前讲述的一样，只是TV为负值。我们还可以考虑另一种情况，即N沟区是一个N型半导体区。在这类器件中，负栅压可以在栅氧化层下的沟道区产生一个空间电荷区，从而减小N沟道区的厚度，进而减小沟道电导和沟道电流；正的栅压可以产生一个电子堆积层，从而增大漏电流。值得注意的是这类器件需满足一定的条件，即沟道的厚度必须小于最大空间电荷区厚度dTx，不然的话，就不能使沟道夹断。常见的N沟耗尽型MOSFET的DSDSIV−特性曲线示于图11.43中。下面我们将推导n沟MOSFET的理想电流电压方程。在非饱和区，我们将得到()22......(11.105)2noxDGSTDSDSWCIVVVVLμ⎡⎤=−−⎣⎦6在饱和区我们将会得到()2......(11.106)2noxDGSTWCIVVLμ=−P沟器件的工作原理和N沟器件的工作原理相同，只是载流子是空穴，且电流方向和电压极性是相反的。图11.42N沟耗尽型MOSFET的剖面图11.3.3MOSFET电流－电压关系的数学推导图11.44(a)MOSFET器件的三维图(b)MOSFET器件沿沟道方向的电压分布在我们推导MOSFET器件的电流－电压方程之前，先做些以下假设：1．沟道中的电流是漏源电场作用下的漂移电流而非由载流子浓度梯度产生的扩散电流。且沟道电荷只是栅压的函数。2．栅氧化层中无电流。3．沿沟道方向的电场是恒定值。4．任何固定氧化层电荷等价于在氧化层－半导体界面处的电荷密度。5．沟道中的载流子迁移率为常数。我们从传统的欧姆定律开始，根据欧姆定律......(11.107)DdQIdt=7假设MOSFET沟道中的单位面积电荷密度为nQ，则由......(11.108)nQWQdx=上式中的Wdx是x-z平面，沟道面积的微分量ds。W是器件宽度。将上式带入式（11.107）得......(11.109)DnnxdQdxIWQWQdtdtυ==−=−式中的υ是电荷沿沟道方向移动的速度。上式表明载流子的速度方向与电流方向相反。()......(11.110)xnxndVxEdxυμμ==−由于我们假设沿x方向的电场和沟道载流子迁移率为常数，所以载流子的漂移速度nμ也为常数。()Vx代表沿沟道方向离源极x处的沟道电压。由于该处的表面沟道电荷可以表示为()......(11.111)noxGSTQCVVVx=−−⎡⎤⎣⎦0xoxoxCtε=是单位面积氧化层电容，oxε是氧化层的介电常数，oxt是氧化层厚度。将(11.110)和(11.111)两式带入式(11.109)得()()......(11.112)DnoxGSTdVxIWCVVVxdxμ=−−⎡⎤⎣⎦将上式的两边同乘以dx积分得()()00......(11.113)DSVLDnoxGSTIdxWCVVVxdVxμ=−−⎡⎤⎣⎦∫∫由于漏极电流不随长度变化，所以有()21......(11.114)2DnoxGSTDSDSWICVVVVLμ⎡⎤=−−⎢⎥⎣⎦上式成立的条件是：GSTVV≥，且0()DSDSVVsat≤≤。MOSFET作为开关用时，都工作在该区。WL称为器件的宽长比。如果我们将DSV的变化作为自变量，将DI作为因变量，上述方程可以看作以DSV为变量的二次函数。有极大值()(max)DDIIsat=，漏电流的极大值点满足0DDSdIdV=当漏电流有极大值时，由(11.114)式可以求得在8......(11.115)DSGSTVVV=−时出现峰值电流()DIsat，这是的()DSDSVVsat=。也就是开始出项饱和的那一点。当()DSDSVVsat时，理想的漏极电流为常数。它等于()()21......(11.116)2DnoxGSTWIsatCVVLμ=−图(11.45)示出了理想MOSFET器件的DSDSIV−关系曲线。从图(11.45)中可以看出，曲线将平面划分为三个区域，（1）区MOSFET的关断区；（2）区是MOSFET的非饱和区；（3）区是MOSFET的饱和区。在非饱和区DSDSIV−的关系满足方程(11.114)；在饱和区DSDSIV−的关系满足方程(11.116)。值得注意的是，虽然这个方程是对N沟增强型器件推导出来的，但同样适合其它类型的MOS器件。对N沟道的耗尽型器件将负值的阈值电压带入上述两式既可；由于P沟道的MOS器件的阈值电压为负值；栅源电压也为负值，DSV也为负值，所以如果将NMOS和PMOS器件的阈值电压分别表示为TNV和TPV，则有()()()22121......(11.117)2DnoxGSTNDSDSDnoxGSTNWICVVVVLWIsatCVVLμμ⎡⎤=−−⎢⎥⎣⎦=−对NMOS器件而言()()()22121......(11.118)2DpoxGSTPDSDSDpoxGSTPWICVVVVLWIsatCVVLμμ⎡⎤=−−⎢⎥⎣⎦=−对PMOS器件而言当DSV很小时，忽略漏源电压的平方项，有()......(11.119)noxDGSTDSWCIVVVLμ=−图11.45N沟增强型MOSFET的DSDSIV−曲线9当很小的DSV，且为恒定值时，DSGSIV−的关系为线性关系，其斜率为noxDSWCVLμ工程中可以利用上述关系测定阈值电压TV的大小，和电子的载流子迁移率。图11.46显示了很小的DSV，且为常数时DSGSIV−的关系曲线。从图中可以看出，直线于横坐标的交点就是TV，通过其曲线的斜率可以求出电子的载流子迁移率nμ。注意该迁移率是MOS器件的表面沟道迁移率，它比体内的值小很多。在低的GSV处，点与直线的偏离是由于亚阈值电导的的影响；在高的GSV处，点与直线的偏离是由于迁移率是栅压的函数；这两种效应分别称为MOS器件的亚阈值特性和高电场下的速度饱和，将在下一章会详细讨论。假设试验中测得的1GSV和2GSV对应的漏极电流分别是1