金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构（课堂PPT）

1、第三章第三章金属氧化物半导体金属氧化物半导体场效应晶体管场效应晶体管Metal Oxide Semiconductor Filed Effect TransistorMOSFET电子科学与技术系 张瑞智本章内容本章内容1、MOSFET的物理结构、工作原理和类型的物理结构、工作原理和类型2、MOSFET的阈值电压的阈值电压3、MOSFET的直流特性的直流特性4、MOSFET的动态特性的动态特性5、小尺寸效应、小尺寸效应1、MOSFET的物理结构的物理结构MOSFET由一个由一个MOS电容和靠近电容和靠近MOS栅控栅控区域的两个区域的两个PN结组成。结组成。BodySourceGateDrainw

2、2SiO n nNMOSFET的三维结构图的三维结构图栅栅氧化层氧化层硅衬底硅衬底源区沟道区漏区源区沟道区漏区P-Sigaten+n+SourceDrainwL2SiObody金属金属 Al（Al 栅）栅）重掺杂的多晶硅（硅栅，重掺杂的多晶硅（硅栅，Polycide（多晶硅（多晶硅/难融金属硅化物）难融金属硅化物）sipolyporsipolynMOSFET的三维结构简化图的三维结构简化图剖面图剖面图结构参数：结构参数：沟道长度沟道长度 L、沟道宽度沟道宽度 W 、栅氧化层厚度栅氧化层厚度 源漏源漏PN结结深结结深材料参数：材料参数：衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度 、载流子迁移率载流子迁移率版图版图

3、SDGWL多晶硅多晶硅有源区有源区金属金属SiO2SiO2GSDBoxtLjxSi 衬底衬底oxtBNjx器件版图和结构参数器件版图和结构参数 MOSFET是一个四端器件是一个四端器件： 栅栅 G （Gate），电压），电压VG 源源 S （Source），电压），电压VS 漏漏 D （Drain），电压），电压VD 衬底衬底 B （Body），电压），电压VB 以源端为电压参考点以源端为电压参考点，端电压定义为，端电压定义为: 漏源电压漏源电压 VDS=VD - VS 栅源电压栅源电压 VGS=VG - VS 体源电压体源电压 VBS=VB - VS端电压的定义端电压的定义 MOSFET正常

4、工作时，正常工作时，D、B和和S端所加的电压要端所加的电压要保证两个保证两个PN结处于反偏结处于反偏。 在直流工作下的器件，通常假设器件只有漏源在直流工作下的器件，通常假设器件只有漏源电流电流*或简称或简称漏电流漏电流 IDS，并将流向漏极方向的电，并将流向漏极方向的电流定义为正。流定义为正。 MOSFET各端电压对漏电流都有影响，电流电各端电压对漏电流都有影响，电流电压的一般关系为：压的一般关系为： BSDSGSDSVVVfI， 端电流的定义端电流的定义SiO2P-Si衬底衬底SBGDGSVDSVnnxyzo坐标系的定义坐标系的定义不作特别声明时，一般假设源和体短接（接地）不作特别声明时，一

5、般假设源和体短接（接地）基本假定基本假定长沟和宽沟长沟和宽沟MOSFET：WLToxXc衬底均匀掺杂衬底均匀掺杂氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定其位于其位于Si-SiO2界面界面强反型近似成立强反型近似成立基本假定（基本假定（1）强反型近似强反型近似强反型时：强反型时：耗尽层宽度耗尽层宽度反型层厚度反型层厚度*，耗尽，耗尽层两端电压层两端电压反型层两端的电压，耗尽层电荷反型层两端的电压，耗尽层电荷反型层电荷反型层电荷强反型后，强反型后，栅压再增加，将导致沟道载流子数栅压再增加，将导致沟道载流子数目增加，但表面耗尽层宽度不变，耗尽层电荷目增加，但表

6、面耗尽层宽度不变，耗尽层电荷不变，耗尽层两端电压不变不变，耗尽层两端电压不变 。*通常我们假设反型层无限薄，载流子在硅表面形成面电荷层，并且在反型层中通常我们假设反型层无限薄，载流子在硅表面形成面电荷层，并且在反型层中没有能带弯曲。没有能带弯曲。基本假定（基本假定（2） 在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背的的PN结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也没有明显的漏源电流（忽略没有明显的漏源电流（忽略PN结的反向漏电流）结的反向漏电流）VGS=0 n+n+VDS0 p-substrateSBIDS=0直流特性的

7、定性描述：直流特性的定性描述：工作原理工作原理 当在栅上加有足够大的电压时，当在栅上加有足够大的电压时，MOS结构的沟道结构的沟道区就会形成反型层，区就会形成反型层，它可以把源区和漏区连通，它可以把源区和漏区连通，形成导电沟道形成导电沟道，这时如果在漏源间加有一定的偏，这时如果在漏源间加有一定的偏压，就会有明显的电流流过。压，就会有明显的电流流过。直流特性的定性描述：直流特性的定性描述：工作原理工作原理VGSVTAcceptorsDepl Regn+n+VDS0 p-substrateChannelSBIDS假设栅电压假设栅电压VGSVT，漏电压，漏电压VDS开始以较小的步长增加开始以较小的步

8、长增加IDSVDSVDS（Small）VGSVTn+n+ p-substrateChannelSBIDS当当VDS很小时，它对反型层影响很小，表面沟道类似于一个简很小时，它对反型层影响很小，表面沟道类似于一个简单电阻，漏电流与单电阻，漏电流与VDS成正比。成正比。直流特性的定性描述：直流特性的定性描述：输出特性输出特性VGSVTn+n+VDS=VDSat p-substrateChannelSBIDSIDVDSVDsatIDsatPinch-off随着随着VDS的增加，它对栅的反型作用开始起负面影响，的增加，它对栅的反型作用开始起负面影响，使反型层从源到漏逐渐变窄使反型层从源到漏逐渐变窄，反型

9、载流子数目也相应反型载流子数目也相应减小减小，使，使IDS-VDS曲线的斜率减小。沟道载流子数目在曲线的斜率减小。沟道载流子数目在靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型层将最终消失靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型层将最终消失（称为（称为沟道被夹断沟道被夹断）。使沟道开始夹断的漏源电压称）。使沟道开始夹断的漏源电压称为为漏源饱和电压漏源饱和电压，相应的电流称为，相应的电流称为饱和电流饱和电流。IDVDSVDsatIDsatohmicsaturatedLLVGSVTn+n+VDSVDSat p-substrateChannelSBIDS夹断区夹断区LDSATDSVVDSatV当漏源电压超过饱和电压后，夹断区变宽，夹断点从漏到源移当漏源电压超过饱和电压后，夹断区变宽，夹断点从漏到源移动。夹断区是耗尽区，因而超过动。夹断区是耗尽区，因而超过VDsat的电压主要降落在夹断区。的电压主要降落在夹断区。对于长沟道（对于长沟道（LL）器件，夹断后漏电流基本保持不变，因）器件，夹断后漏电流基本保持不变，因为，夹断点为，夹断点P点的电压点的电压VDsat保持不变，从源到保持不变，从源到P点的载流子数目点的载流子数目不变，因而从漏到源的电流也不变化。不变，因而从漏到源的电流也不变化。一般长沟道器件的一般长沟道器件的 IDSVDS 特性特性VDSIDSVGSVTVGS增加增加VGS0 p-substrat