从器件物理层面看MOSFET的内部结构

  接触MOS管已经有很长时间了,关于它的理论分析以及在实际电路中的用法也接触过一部分,但始终没有弄清楚它的内部结构,对其工作原理也是云里雾里的,因为这涉及到半导体器件物理中的好多知识,随便一个小问题都有可能牵扯出一大堆的理论推导出来,因此一直没有把MOS管的基础知识搞清楚。最近抽了些时间,耐心的看了几遍资料,总算是弄清楚了点头目,现在总结一下。

  MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的缩写,即金属-氧化物-半导体场效应晶体管,是集成电路的基础。MOSFET都是做在衬底上的,以NMOS为例,如右图,在一块p型衬底(p-sub,衬底又叫Bulk或Body)上,形成两块重掺杂的n+区,分别为源(Source)和漏(Drain)

 

  衬底之上用SiO2做一块绝缘层,叫栅氧化层或栅绝缘层,用Tox表示其厚度,称为栅绝缘层厚度或栅氧化层厚度;

  栅氧化层的上面是栅(grid),若用金属铝做栅极则称为铝栅,这就是MOSFET名称中MOS的由来:金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)。但是由于多晶硅做栅极的诸多优点,后来用高掺杂的多晶硅(Poly-silicon)代替铝做栅极,称作多晶硅栅。栅在源漏方向的长度称作栅的长L,垂直方向称为栅的宽W,需要注意的是,在数量上W比L要大;

  MOSFET的一个特点是其源和漏是完全对称的,也就是说源和漏是可以互换的。在MOS中,源定义为提供载流子的端,而漏定义为接收载流子的端。源和漏也正是依据这一定义来区分:NMOS中导电的载流子是电子,因此接到电路的最低电位以提供电子的是源极;而PMOS中导电的载流子是空穴,因此接到电路最高电位以提供空穴的是源极。当然,一般人们不会这样说,而是用另一种方式去表达:NMOS的源极要接到电路的最低电位,而PMOS的源极要连接到电路的最高电位。

  图中的Leff及Ldrawn是到导电沟道的长度,其中Leff称为有效沟道长度,Ldrawn称为沟道总长度,并且有如下关系:Leff=Ldrawn-2LD, LD代表横向扩散长度,是制造工艺中不可避免的误差。

 

  上面的图中画出了MOSFET的三个极:源(S)、漏(D)和栅(G),但其实MOSFET是个四端器件,因为还有衬底(B)没有引出管脚来。下图中将衬底引出管脚来:

  简单的说,衬底就是一块做了特定掺杂的硅,但其作用非常重要,并且在电路中衬底的电位对器件的性能有很大影响。MOSFET中的导电沟道也是在衬底中形成:栅极与衬底之间隔有SiO2绝缘层,因此栅与源、漏、衬底之间不导通,而是形成平行板电容器,加电压时栅与衬底之间形成电场,在该电场的影响下衬底中形成导电沟道,MOS管就开始导通,因此叫场效应晶体管(Field Effect Transistor)。

  NMOS中衬底是p型掺杂,工艺上一般用一块重掺杂的p区作为与外界的接触,就像上图中描述的那样。在电路连接中,一般将MOS的衬底与源连接到一起,使其电位相等。如果衬底的电位与源电位不等,则会存在体效应,引起阈值电压的偏移。

 

 

  

  集成电路中大规模应用的CMOS技术,要求在一块硅片上同时做多个NMOS和PMOS。但是NMOS与PMOS的衬底类型不同,这就要求在工艺上为其中一类晶体管做一个局部衬底,称为阱,这类晶体管就做在阱中。因此,目前采取的技术是:NMOS直接做在p衬底上,而在需要做PMOS的区域做一块掺杂的n区,称为n阱(well),PMOS就做在这个阱中。  

  

  因此在CMOS电路中,NMOS共用同一个衬底,而PMOS处在各自的n阱中。这就造成了NMOS和PMOS在衬底处理上的不同:所有NMOS的衬底由于连在一起,处于同一电位,不能保证其衬底与源极的电位完全相同,而各个PMOS的衬底则可以灵活处理。这就是在一般的电路分析中NMOS要考虑体效应而PMOS不用考虑的原因。


 

posted @ 2014-05-12 17:44  The Pisces  阅读(9703)  评论(1编辑  收藏  举报