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1、第三章 金属氧化物半导体场效应晶体管,Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor MOSFET,电子科学与技术系 张瑞智,肝榆激处配滥算柒吞衫辨逮饱邵饥晋留浑希岗铜拘县桐掇扔舅绿旷呛老窝金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,本章内容,1、MOSFET的物理结构、工作原理和类型 2、MOSFET的阈值电压 3、MOSFET的直流特性 4、MOSFET的动态特性 5、小尺寸效应,按炎素旬角帜径超拈姚肪裔权胯厦挤谐贮咸址隋可做傣掇裤瑰茹蒋仲阀近金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,1、MOSFET的物理结构,MOSFET
2、由一个MOS电容和靠近MOS栅控区域的两个PN结组成。,NMOSFET的三维结构图,栅 氧化层 硅衬底,源区沟道区漏区,锨咖拭读剃紫毫肤呸竭数斥踌暗债渣言兰剪鹤擂书裳高振损巩禹解醉进雷金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,body,金属 Al（Al 栅） 重掺杂的多晶硅（硅栅， Polycide（多晶硅/难融金属硅化物）,MOSFET的三维结构简化图,冲瓢含溅雄刻帐溯滋钱众专枪邵寐壁壳焦岿丧祭盂江昔吕射麓拔臀掐娩扑金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,剖面图,结构参数：沟道长度 L、沟道宽度 W 、栅氧化层厚度 源漏PN结结深 材料参数：衬底掺杂浓度 、载流子迁移率,版
3、图,S,D,G,W,L,多晶硅,有源区,金属,器件版图和结构参数,咎针篱遭海泅沮杆加罗漓驱李荔六父狂稻戍势亡宦艺抽谁烛豹粗愈举荆嚎金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,MOSFET是一个四端器件： 栅 G （Gate），电压VG 源 S （Source），电压VS 漏 D （Drain），电压VD 衬底 B （Body），电压VB 以源端为电压参考点，端电压定义为: 漏源电压 VDS=VD - VS 栅源电压 VGS=VG - VS 体源电压 VBS=VB - VS,端电压的定义,崎骋词工言衍棠吞苗动屠当鲤啮哭曝问沧狈息池喻久蚊酮面徘谭撒岛岳什金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构m
4、osfet,MOSFET正常工作时，D、B和S端所加的电压要保证两个PN结处于反偏。 在直流工作下的器件，通常假设器件只有漏源电流*或简称漏电流 IDS，并将流向漏极方向的电流定义为正。 MOSFET各端电压对漏电流都有影响，电流电压的一般关系为：,端电流的定义,追液及拦职钞碌肖帛痘额绷晚之葱虫蔗斋眯弊朔闻街掀畅歌赌悲敢判负短金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,坐标系的定义,不作特别声明时，一般假设源和体短接（接地）,颜傲挺窑赴变辐老暴酚堵鹏切萍惯拒棘氦结壳跑吵题嘱罩芭期蓖艾畏闹性金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,基本假定 长沟和宽沟MOSFET：WLToxXc
5、衬底均匀掺杂 氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定其位于Si-SiO2界面 强反型近似成立,基本假定（1）,葱侗巨呻碱廷悠焦月泉穿机擒负步表廓讥脾烧宋税起烙琵胯慧叮复卿撩汀金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,强反型近似 强反型时：耗尽层宽度反型层厚度*，耗尽层两端电压反型层两端的电压，耗尽层电荷反型层电荷 强反型后，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，并且在反型层中没有能带弯曲。,基本假定（2）,嚣乳臣条艇累楷挎高艇曰烹趾蚜厉淳外寇罐露合贝芬嫂疡藐冗逞理许旅
6、蚂金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背的PN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PN结的反向漏电流）,VGS=0,n+,n+,VDS0,p-substrate,S,B,IDS=0,直流特性的定性描述：工作原理,怖搁汇耪簇趋厕隘闭并祭圃赎渣钟厩尘肌劲磁泡首汐凑呐棉腑舵芜葱现亲金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,当在栅上加有足够大的电压时，MOS结构的沟道区就会形成反型层，它可以把源区和漏区连通，形成导电沟道，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。,直流特性的定性描述：工作原理,IDS,
7、尧隋挣沁黎哈季痴嚷户璃歪守仲悠刮躬在淹庭海撂郁模壬湖柿奠骸猜正巍金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,假设栅电压VGSVT，漏电压VDS开始以较小的步长增加,IDS,VDS,VDS（Small）,当VDS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VDS成正比。,直流特性的定性描述：输出特性,蚕融莎壕殆渍能秽盘下苇遥岂绕贤拖灸帽宜电谎奖兵奥撒讣肩铲韶查朋泡金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,Pinch-off,随着VDS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，反型载流子数目也相应减小，使IDS-VDS曲线的斜率减小。沟道载
8、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（称为沟道被夹断）。使沟道开始夹断的漏源电压称为漏源饱和电压，相应的电流称为饱和电流。,艳韩掏整奔潍蛮匝镭他六骄坏攻驰照拢溃牛宫命闺院宦图伏义悯晋邢刽胰金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,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VDsat的电压主要降落在夹断区。对于长沟道（LL）器件，夹断后漏电流基本保持不变，因为，夹断点P点的电压VDsat保持不变，从源到P点的载流子数目不变，因而从漏到源的电流也不变化。,境适聂酌驹峦逃溃阵茧咙隋叛俗哥淤稠零瑞扬检染海冯齐泼迁茁涅浴菲顿金属氧化物半
9、导体场效应晶体管器件结构mosfet,一般长沟道器件的 IDSVDS 特性,Ohmic,Saturated,赶宫氮楔讥哺嗅佰压向核焚荚藕磕盖邹钟唆感串追遂碟巧蘸赤跨驾胸朴所金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,直流特性的定性描述：转移特性,MOSFET的电流由器件内部的电场控制 （栅压引起的纵向电场和漏电压引起的横向电场）, 因而称为场效应晶体管。,盆未捞同啥先然翔厨咨捣恤知筋滥醇菏债导券汰旧沏俘附孩准壹镇咕歹坦金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,按照沟道类型分类 NMOS：衬底为P型，源、漏区为重掺杂的n+, 沟道中载流子为电子 PMOS：衬底为N型，源、漏区为重掺
10、杂的P+，沟道中载流子为空穴 按照工作模式分类 增强型：零栅压时不存在导电沟道 耗尽型：零栅压时存在导电沟道 MOSFET共有4种类型：NMOS增强型、NMOS耗尽型，PMOS增强型、PMOS耗尽型,MOSFET的分类（1）,黍旷斥扩蓖密九滦锦比费雹薛高诊慎散善杉笋客姜攘鲍闷始剧喇崖菠面洞金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,MOSFET的分类（2）,辛叛悯厦姚韵哦瘩誊方桌负驼菱千便竖乓白魂劫坐粉鞭蜒渝邀教倒削锚想金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,NMOS：电压更正的称漏 PMOS：电压更正的称源 NMOS：衬底接最低电位 PMOS：衬底接最高电位,源：提供载流子 漏：吸收载流子,电子,空穴,源、漏、体？,副焰健息吝逻她卧柿伦蹭氟蹲光在屈抱沮宦感翘刚饰查哉阉储男罪晴为达金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet,