MOS 晶体管结构和工作原理

结构图
Vg Vd
Vs 栅（G）
FOX
N+ 源（S）
W
FOX N+
L
漏（D）
P 衬底（B） Vb
• MOS 晶体管结构
平面图
TO
POLY
W1
• MOS 晶体管结构
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）
MOS晶体管结构和工作 原理
Liyy 2003-10-27
MOS 晶体管结构和工作原理
MOS 晶体管结构
结构图 平面图 MOS晶体管种类 MOS晶体管符号
MOS晶体管工作原理
MOSFET 特性 MOS IV CURVE MOS 衬底偏置效应 MOS热载流子效应
• MOS 晶体管结构
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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
MOS IV CURVE
漏电流
线性区
（a） 饱和区
（b）
击穿区
截止区
漏电压
•MOS 晶体管特性
MOS IV CURVE
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。
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 化层中的固定电荷密度Qot改变；（2）在Si-SiO2界面产 生界面电荷Qit。由于Qot和Qit引起的电荷积累将在沟道 形成阻碍载流子运动的势垒；同时界面电荷也会增强界面 附近电子的库仑散射，使迁移率降低。因此经过一段时间 的积累，以上效应会使器件的性能退化，影响集成电路的 可靠性，所以应设法避免热载流子效应。
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
MOS热载流子效应
Vg
Vd
Vs
SiO2
N+ 源
由Biblioteka Baidu光子产生 的少子电流
正向注入
P- 衬底
N+ 漏
衬底电流
耗尽层
Vb
MOS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Vgs>Vth，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 晶体管结构
MOS晶体管种类
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 IV CURVE
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，故Ids曲线逐渐趋向平缓。
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
MOS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。
当Vds进一步增大时：Vds>Vgs-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
MOS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。
• MOS 晶体管特性
MOS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）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。
在这个工作区，MOS表现出类似于电阻的特性，并且随着栅压的变 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
MOS IV CURVE
饱和区
Vgs Vds<Vgs-Vth
G
S
D
P
Vgs Vds=Vgs-Vth
G
S
D
P
Vgs
Vds>Vgs-Vth
G
S
D
P
•MOS 晶体管特性
•MOS 晶体管特性
MOS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，因此电导减少。
• MOS 晶体管结构
MOS晶体管符号
NMOS：
D
PG MOS：
S
B G
D
B
G
G
S
D
D
D
B
G
G
S
S
D
D
D
B
G
G
S
S
• MOS 晶体管特性
MOS晶体管特性
N沟MOS 截面图
L
Vs
Vd
Qg
Vg
N+
Xsd
Qi 耗尽区边界 Qb
P Substrate (Nb)
N+
Xdd
Vb
• MOS 晶体管特性
•MOS 晶体管特性
MOS IV CURVE
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。
截止区
在该区域，Vgs<Vth，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。
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
MOS晶体管种类
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