MOS 晶体管结构和工作原理

1、MOS晶体管结构和工作晶体管结构和工作原理原理Liyy 2003-10-27MOS 晶体管结构和工作原理晶体管结构和工作原理pMOS 晶体管结构晶体管结构n结构图结构图n平面图平面图nMOS晶体管种类晶体管种类nMOS晶体管符号晶体管符号pMOS晶体管工作原理晶体管工作原理nMOSFET 特性特性nMOS IV CURVEnMOS 衬底偏置效应衬底偏置效应nMOS热载流子效应热载流子效应 MOS 晶体管结构晶体管结构p结构图结构图VgVsVdFOXN+N+LW栅（栅（G）源（源（S）漏（漏（D）VbP 衬底（衬底（B）FOX MOS 晶体管结构晶体管结构p平面图平面图TOPOLYW1 MOS

2、晶体管结构晶体管结构p在正常工作条件下，栅电压Vg产生的电场控制着源漏间沟道区内载流子的运动。由于器件的电流由器件内部的电场控制 - MOS 场效应晶体管（MOSFET）p栅极与其它电极之间是绝缘的 - 绝缘栅场效应晶体管 （IGFET） MOS 晶体管结构晶体管结构pMOS晶体管种类晶体管种类n按沟道区中载流子类型分按沟道区中载流子类型分N沟MOS晶体管：衬底为P型，源漏为重掺杂的N+，沟道中 载流子为电子P沟MOS晶体管：衬底为N型，源漏为重掺杂的P+，沟道中 载流子为空穴 在正常情况下，只有一种类型的载流子在工作，因此也称其为单极晶体管 MOS 晶体管结构晶体管结构pMOS晶体管种类晶体

3、管种类n按工作模式分按工作模式分 增强型晶体管：若在零栅压下不存在漏源导电沟道，为了形 成导电沟道，需要施加一定的栅压，也就是 说沟道要通过“增强”才能导通耗尽型晶体管：器件本身在漏源之间就存在导电沟道，即使 在零栅压下器件也是导通的。若要使器件截 止，就必须施加栅压使沟道耗尽 MOS 晶体管结构晶体管结构pMOS晶体管符号晶体管符号nNMOS：nPMOS：GDBSGDBGDSGDSGDSGDBSGDBGDS MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS晶体管特性晶体管特性 N沟沟MOS 截面图截面图VsVdVgXsdN+N+Xdd耗尽区边界QgQbQiP Substrate (Nb)VbL MOS

4、晶体管特性晶体管特性pMOS晶体管特性晶体管特性 假定漏端电压Vds为正，当栅上施加一个小于开启电压的正栅压时，栅氧下面的P型表面区的空穴被耗尽，在硅表面形成一层负电荷，这些电荷被称为耗尽层电荷Qb。这时的漏源电流为泄漏电流。 如果VgsVth，在P型硅表面形成可移动的负电荷Qi层，即导电沟道。由于表面为N型的导电沟道与P型衬底的导电类型相反，因此该表面导电沟道被称为反型层。 MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS晶体管特性晶体管特性 在Vgs=Vth时，表面的少数载流子浓度（电子）等于体内的多数载流子（空穴）的浓度。 栅压越高，表面少数载流子的电荷密度Qi 越高。（可动电荷Qi也可称为反型电荷

5、）此时，如果漏源之间存在电势差，由于载流子（NMOS中为电子）的扩散，会形成电流Ids。这时PN结的泄漏电流仍然存在，但它与沟道电流相比非常小，一般可以忽略。 由于反型电荷Qi强烈地依赖与栅压，因此可以利用栅压控制沟道电流。 MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS IV CURVE线性区饱和区击穿区截止区漏电压漏电流（a）（b）MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS IV CURVEn线性区线性区 对于固定的Vgs(Vth)，当漏压很小时，漏电流Ids随漏压的增加而线性增加。但随着漏压的增加，漏电流的增加速度不断减小直到Ids达到某一恒定的饱和值。 在这个工作区，MOS表现出类似于电阻的特性，并且

6、随着栅压的变化而变化，即沟道电阻随着栅压的增加而减小。 这个区域也叫可调电阻区。MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS IV CURVEn饱和区饱和区SDGPVgsVdsVgs-VthMOS 晶体管特性晶体管特性pMOS IV CURVEn饱和区饱和区 在漏源之间接上电压Vds，则沟道区的电位 从靠近源端的零电位逐渐升高到靠近漏断的Vds。而栅极的电位是恒定的，所以在沟道从源极到漏极不同位置上，栅极与沟道之间的电位差是不等的，因而沟道不同位置上的表面电场也是不等的。那么沟道中积累的可动载流子也随着电位差从源到漏由多到少，沟道也由厚到薄，沟道的导电能力随之下降，漏源输出电流随Vds上升的速度降下来

7、，故Ids曲线逐渐趋向平缓。 当Vds进一步增大时：VdsVgs-Vt，漏端的沟道消失，即漏端的沟道被夹断，这个夹断区成了漏源之间电流通路上电阻最大的区域。在夹断后Vds的继续增大都集中降落在夹断区，因此尽管Vds增大了，沟道两端的电压降仍是Vgs-Vt不变。这使得经过沟道漂移进入夹断区的电子流也基本上不随Vds的增加而改变，Ids也就不变了，所以曲线几乎变为直线。MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS IV CURVEn击穿区击穿区 饱和区之后，若Vds进一步增加，晶体管进入击穿区，Ids随Vds迅速增大，直至引起漏-衬PN结击穿，这是由于漏端高电场引起的。n截止区截止区 在该区域，VgsVt

8、h，因此漏源之间不存在导电沟道，即Ids=0。但实际上漏源电流并不为0，而是按指数规律随栅压变化，通常称为弱反型电流或亚域值电流。在弱反型时，P型硅表面变为N型，但这种反型很弱，表面电子浓度低于体内空穴的浓度。由于低的电子浓度沿沟道产生的电场较低，因此亚域值电流主要由载流子扩散引起。 MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS衬底偏置效应衬底偏置效应 当衬底施加偏压时，势垒高度的增加导致耗尽区宽度的增加，因此对于给定的Vgs和Vds，Vbs的增加会使Ids减小。这是因为Vbs增加，体电荷Qb增加，而Vgs和Vds不变，由于栅电荷Qg固定，根据电荷守恒定律Qg=Qi+Qb，所以Qi反型层电荷减少，因此

9、电导减少。 而这时，如果要使MOS晶体管开启即进入强反型区，就是反型层电荷相应的增加那就要提高栅电压，增加栅电荷。所以当MOS衬底施加偏压时，MOS晶体管的开启电压会升高。MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS热载流子效应热载流子效应VsVdVgSiO2Vb耗尽层衬底电流N+源N+漏由于光子产生的少子电流正向注入P- 衬底MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS热载流子效应热载流子效应 当沟道长度减小，同时保持电源电压不变，沟道区靠近漏端附近的最大电场增加。随着载流子从源向漏移动，它们在漏端高电场区将得到足够的动能，引起碰撞电离，一些载流子甚至能克服Si-SiO2界面势垒进入氧化层，这些高能载流子不

10、再保持它们在晶格中的热平衡状态，并且具有高于热能的能量，因此称它们为热载流子。对于正常工作中的MOSFET，沟道中的热载流子引起的效应称为热载流子效应。 当发生碰撞时，热载流子将通过电离产生次级电子-空穴对，其中电子形成了从漏到源的电流，碰撞产生的次级空穴将漂移到衬底区形成衬底电流Ib。通过测量Ib可以很好地监控沟道热载流子和漏区电场的情况。MOS 晶体管特性晶体管特性pMOS热载流子效应热载流子效应 由于Si-SiO2的界面势垒较高，注入到栅氧化层中的热载流子与碰撞电离产生的热载流子相比非常少，因此栅电流比衬底电流要低几个数量级。 热载流子注入到栅氧层中还会引起其它的一些效应，主要有（1）热载流子被SiO2中电激活的缺陷俘获，是氧化