1、1半导体器件物理（半导体器件物理（ 3）-MOSFET器件器件2主要内容主要内容uMOS 二极管二极管uMOSFET基本原理基本原理uCMOS器件器件3MOSFET基本原理基本原理uMOSET基本结构uMOSFET种类uMOSFET基本特性u应用举例4u 两个两个 pn结和一个结和一个 MOS二极管。二极管。u 四端点器件：栅极四端点器件：栅极 (gate， G)、源极、源极 (source， S)、漏极、漏极(drain， D)、衬底欧姆接触。、衬底欧姆接触。u 沟道：强反型时表面形成的导电层沟道：强反型时表面形成的导电层u 对称器件：源极和漏极可以互换。对称器件：源极和漏极可以互换。5沟道
2、长度沟道长度 L，沟道宽度沟道宽度 Z，氧化层厚度氧化层厚度 d，结深度结深度 rj，衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度 NA。基本器件参数基本器件参数6电压控制器件，以电压控制器件，以 源极为基准电位源极为基准电位VDSn+ n+PSGDVGS7MOSFET基本原理基本原理uMOSET基本结构uMOSFET种类uMOSFET基本特性u应用举例8MOSFET器件种类器件种类uNMOS： 源区和漏区为源区和漏区为 n+型，衬底为型，衬底为 p型；型； N沟道：导电沟道为电子反型层。沟道：导电沟道为电子反型层。N沟增强型：沟增强型： 常闭常闭N沟耗尽型沟耗尽型 ：常开：常开uPMOS： 源区和漏区为源区和漏
3、区为 p+型，衬底为型，衬底为 n型；型； P沟道：导电沟道为空穴反型层。沟道：导电沟道为空穴反型层。P沟增强型：沟增强型： 常闭常闭P沟耗尽型沟耗尽型 ：常开：常开9N沟道增强型沟道增强型n+ n+PS G DVG=0VD开启电压 VT0, P型衬底，需严格控制氧化层中正电荷密度。n+ n+PS G DVGVTVDu在零偏栅极电压下，半导体表面处于耗尽（界面正电荷的作用）。u在正偏达到 VT值时，形成 N型沟道。栅极电压的增大可增强沟道的导电能力。10n+ n+PS G DVG=0VDN沟道耗尽型沟道耗尽型n+ n+PS G DVG0， n型衬底。型衬底。p+ p+nSGDVGVPVDu在正
4、偏达到在正偏达到 Vp值时，排除沟道值时，排除沟道内的空穴，减弱内的空穴，减弱 P型沟道的导电能型沟道的导电能力直至消失。力直至消失。u在零偏栅极电压下，半导体表在零偏栅极电压下，半导体表面存在面存在 P型沟道（采用型沟道（采用 B离子注入离子注入的方法）。的方法）。p+ p+nSGDVG=0VD13MOSFET基本特性基本特性-以增强型以增强型 NMOS为例为例14VG VDn+ n+PSG IDDVGVTVGVT）n+ n+PVGVTVD (小 ) ID沟道 耗尽区IDVD对于小的对于小的 VD 值，沟道的作用如同电阻一样，沟道电值，沟道的作用如同电阻一样，沟道电流与漏极电压成正比。流与漏
5、极电压成正比。 线性区。线性区。L16夹断点夹断点 (VGVT) IDVDVDsatIDsatu夹断点夹断点 P：反型层电荷：反型层电荷 Qn为零。为零。u饱和电压饱和电压 VDsat和饱和电流和饱和电流 IDsat： y=L处反型层电荷处反型层电荷 Qn为零时为零时对应的漏极电压和电流。对应的漏极电压和电流。uVDsat=VG-VTn+ n+PVGVTVD =VDsat夹断点（ P）17IDVDVDsatIDsatuVDVDsat，沟道长度缩短，沟道电流，沟道长度缩短，沟道电流 ID保持不变；保持不变； 饱和区。饱和区。n+ n+pVGVT夹断点（ P）VDVDsatL饱和区（饱和区（ VG
6、VT）18MOSFET输出特性推导输出特性推导理想假设：理想假设：u不考虑氧化层电荷和功函数差不考虑氧化层电荷和功函数差u仅考虑漂移电流仅考虑漂移电流u反型层中载流子迁移率为固定值反型层中载流子迁移率为固定值u沟道杂质浓度均匀沟道杂质浓度均匀u忽略反向漏电流忽略反向漏电流u栅介质无电流通过栅介质无电流通过u缓变沟道近似（适用于长沟道）缓变沟道近似（适用于长沟道） ：沟道内栅：沟道内栅极产生的电场远大于漏极电压产生的电场。极产生的电场远大于漏极电压产生的电场。19xyzLZt(y)沟道长度 L沟道厚度 t(y)沟道宽度 ZQn(y)： y处反型层单位面积电荷。dydy薄片电阻：dy薄片电压：薄片
7、电压：2021VD较小时较小时 :线性区22夹断点夹断点 V(y) =VDsat， Qn=0VVDsat：饱和区23输出特性输出特性 （ VGVT 线性区线性区饱和区VDID1V2V3VVG=4V线性区饱和区截至区24VGVT线性区：线性区：沟道电导：跨导：饱和区：沟道电导：跨导：25亚阈值区 VGVT： 弱反型在数字电路的开启和关闭的过程中，亚阈值区非常重要。另外在数字电路的开启和关闭的过程中，亚阈值区非常重要。另外亚阈值区也会影响超大规模集成电路的静态功耗。亚阈值区也会影响超大规模集成电路的静态功耗。截止区截止区 VGVT， ID=0： 当当 VG远小于远小于 VT，半导体表面源漏之，半导
8、体表面源漏之间不存在导电沟道（反型层），源漏间无明显电流（间不存在导电沟道（反型层），源漏间无明显电流（ ID0），），称为截止区。称为截止区。26类型 剖面图 输出特性 转移特性N沟增强型（常闭）N沟耗尽型（常开）P沟增强型（常闭）P沟耗尽型（常开）27阈值电压阈值电压 VT控制控制u栅极材料u氧化层厚度考虑衬底反向偏压：u界面电荷 Qou衬底反向偏压控制因素：28u双边对称：电学性质上源漏可相互交换。双边对称：电学性质上源漏可相互交换。u单极性：一种载流子参与导电。单极性：一种载流子参与导电。u高输入阻抗：栅和其他端点之间不存在直流通道。高输入阻抗：栅和其他端点之间不存在直流通道。u电压控制，低功耗。电压控制，低功耗。u自隔离：不同晶体管之间由于背靠背二极管的作用。自隔离：不同晶体管之间由于背靠背二极管的作用。u工艺卫生要求高，速度低。工艺卫生要求高，速度低。MOSFET的特征的特征29MOSFET基本原理基本原理uMOSET基本结构uMOSFET种类uMOSFET基本特性u应用示例30应用示例（应用示例（ 1） - 放大电路放大电路BGSD+-RGuouiVGGVDDRo
