N沟道耗尽型硅栅MOSFET的设计.doc

硅栅MOSFET的设计一、 MOSFET的基本结构和工作原理1. 基本结构1， 以N沟道MOSFET为例。在P型半导体上制作两个区，一个称源区，另一个称漏区。园、漏区之间是沟道区，源、漏直接按的横向距离就是沟道长度。在沟道区表面上，有一层有热氧化工艺生长的氧化层为介质，称为绝缘栅。在源、漏和绝缘栅上蒸发一层铝作为引出电极，这三个电极分别为源极、漏极和栅极，简称S、D和G。从MOSFET的衬底上也可以引出一个电极，简称B极。加在四个电极上的电压分别为源极电压，漏极电压，栅极电压和衬底偏压。2. 工作原理1， 在N沟道MOSFET中，当栅极上没有外加适当的栅极电压时，源区和漏区两个靠背的二极管所隔离。这时如果在；漏极与源极之间加上漏源电压V,除了极其微小的PN结反向电流外，是不会产生电流的。当在栅极上加适当的电压V时，就会在栅极下面产生一个半导体体内的电场。当V增大到被称为阈值电压V时，由于电场作用，栅极下面的P型半导体表面开始强反型，形成连通源区和漏区的N型沟道。由于沟道内有大量的可动电子，所以当在漏极和源极之间加上漏源电压V后，就能产生漏极电流I。在V一定的条件下，当V V时，I0。V越大，则N型沟道内的可动电子数就越多，I就就越大。反之，当V减小时，N型沟道内的可动电子数将减少，I也将随之减小。在漏源电压V恒定时，漏极电流I随栅源电压V的变化而变化的规律，称为MOSFET的转移特性。由此可见，MOSFET的基本工作原理，是通过改变栅源电压V来控制沟道的导电能力，从而控制漏极电流I。因此，MOSFET是一种电压控制器件。3. MOSFET的分类如果N沟道的阈电压V0，则当V=0时，源区与漏区之间的P型半导体表面因为V V而没有形成强反型层，源极和漏极之间不导电。只有当栅、源外加超过阈电压的较大正电压时，才能产生漏极电流。这种MOSFET通常称为N沟道增强型MOSFET,或N沟道常关型MOSFET.如果MOSFET的P型半导体的衬底杂质浓度较低，金属半导体功函数差较大、氧化层具有较多的正电荷，则即使V=0，氧化层内的正电荷等所产生的电场就足以使源区和漏区之间的半导体表面发生强反型，使漏极和源极之间导电。只有栅、源之间外加较大的负电压时，才能完全抵消氧化层中正点荷等的影响，使反型层消失。这时加上漏源电压才不会产生漏极电流。这种N沟道MOSFET的阈电压V0，通常称为N沟道耗尽型MOSFET,或N沟道常开型MOSFET.对于N沟道耗尽型MOSFET，当V| V|时，I=0。类型衬底材料源、漏区VIVVP沟道增强型N00-00P沟道耗尽型N沟道增强型P00+0010欧姆=10伏特最大漏源耐压20伏特=最大栅源耐压50伏特最大耗散功率100毫瓦一设计考虑1， 材料选取 为了制成N沟道消耗型器件，应选用P型硅单晶作衬底，其夹断电压与材料电阻率密切相关，在选定电阻率时以满足的要求为根据。可根据工艺的具体情况，确定实际可以控制的和，根据算出达到=-3伏特所需的衬底杂质浓度。 制造MOS场效应管最好采用面的晶片，因为面的界面态密度较低，同时载流子载面中的表面迁移率也较大。MOS器件对于材料的载流子寿命和错位密度没有特殊要求，只是由于器件的跨导和频率性能等均与迁移率有关，因而要求材料结构尽可能完整。 2栅极二氧化硅厚度的确定 为了保证器件有足够的跨导，一般要求曾厚度要薄，但太薄时栅极容易漏电或击穿，合格率降低。在实际生产中，MOS场效应管的栅极二氧化硅厚度通常控制在1600埃左右，这对于保证BV和的要求来说都是适宜的。3沟道宽度场比W/LMOS场效应管的沟道长度以后，如何再来选定沟道宽度W呢？由前面的讨论看到，我们根据的要求选定了材料电阻率，根据BV和的要求选定了，根据频率的要求选定了L。在重要的参数中唯有跨导的要求还没有得到保证，因此对MOS器件来说，沟道的宽度长比W/L是主要根据跨导的要求来确定的。当然，对于耗尽型器件来说，在选定宽长比W/L时还要考虑到饱和电流和漏极电流的要求。有公式为了保证有足够大的数值，要求宽长比W/L足够大。又有公式，结构图形的选定MOS场效应管的沟道多种形式，而耗尽型器件必须采用封闭的环形结构。因为在耗尽型器氧化层正电中心作用下，氧化层下面的所有半导体表面都已经反型。如果采用条状电极，一部分电流就可能绕过栅极下面的沟道，而经电极断头外面的反型蹭短路。由于这些短路电流不受栅极电压的控制，因而将干扰器件的正常工作，出现漏电和夹不断的现象。如果采用环状电极结构，则由于漏区被环状的栅极完全包围，漏极之间的电源之间的电流除了通过栅极下面的沟道之外没有其他短路的可能，因而耗尽型器件必须采用封闭式的电极结构。采用环形结构时，环的宽度就是沟道的长度L,环的周长就是沟道的宽度W.如果如果金属栅极中心线的半径r,则宽长比就是2r/L。结构数据和参数验算根据所提出的参数指标，经过上面的考虑和计算，决定采用环状电极结构，并具有下列结构数值：硅单晶材料 （100）晶面，=1020欧厘米栅极厚度 =1600埃沟道长度 L=15（如果漏源区扩散深度为1.5，则实际沟道长度为