從器件物理層面看MOSFET的內部結構

2022-07-30 19:30:16 字數 1906 閱讀 9210

接觸mos管已經有很長時間了,關於它的理論分析以及在實際電路中的用法也接觸過一部分,但始終沒有弄清楚它的內部結構,對其工作原理也是雲裡霧裡的,因為這涉及到半導體器件物理中的好多知識,隨便乙個小問題都有可能牽扯出一大堆的理論推導出來,因此一直沒有把mos管的基礎知識搞清楚。最近抽了些時間,耐心的看了幾遍資料,總算是弄清楚了點頭目,現在總結一下。

mosfet是metal-oxide-semiconductor field effect transistor的縮寫,即金屬-氧化物-半導體場效應電晶體,是積體電路的基礎。mosfet都是做在襯底上的,以nmos為例,如右圖,在一塊p型襯底(p-sub,襯底又叫bulk或body)上,形成兩塊重摻雜的n+區,分別為源(source)和漏(drain);

襯底之上用sio2做一塊絕緣層,叫柵氧化層或柵絕緣層,用tox表示其厚度,稱為柵絕緣層厚度或柵氧化層厚度;

柵氧化層的上面是柵(grid),若用金屬鋁做柵極則稱為鋁柵,這就是mosfet名稱中mos的由來:金屬-氧化物-半導體(metal-oxide-semiconductor)。但是由於多晶矽做柵極的諸多優點,後來用高摻雜的多晶矽(poly-silicon)代替鋁做柵極,稱作多晶矽柵。柵在源漏方向的長度稱作柵的長l,垂直方向稱為柵的寬w,需要注意的是,在數量上w比l要大;

mosfet的乙個特點是其源和漏是完全對稱的,也就是說源和漏是可以互換的。在mos中,源定義為提供載流子的端,而漏定義為接收載流子的端。源和漏也正是依據這一定義來區分:nmos中導電的載流子是電子,因此接到電路的最低電位以提供電子的是源極;而pmos中導電的載流子是空穴,因此接到電路最高電位以提供空穴的是源極。當然,一般人們不會這樣說,而是用另一種方式去表達:nmos的源極要接到電路的最低電位,而pmos的源極要連線到電路的最高電位。

圖中的leff及ldrawn是到導電溝道的長度,其中leff稱為有效溝道長度,ldrawn稱為溝道總長度,並且有如下關係:leff=ldrawn-2ld, ld代表橫向擴散長度,是製造工藝中不可避免的誤差。

上面的圖中畫出了mosfet的三個極:源(s)、漏(d)和柵(g),但其實mosfet是個四端器件,因為還有襯底(b)沒有引出管腳來。下圖中將襯底引出管腳來:

簡單的說,襯底就是一塊做了特定摻雜的矽,但其作用非常重要,並且在電路中襯底的電位對器件的效能有很大影響。mosfet中的導電溝道也是在襯底中形成:柵極與襯底之間隔有sio2絕緣層,因此柵與源、漏、襯底之間不導通,而是形成平行板電容器,加電壓時柵與襯底之間形成電場,在該電場的影響下襯底中形成導電溝道,mos管就開始導通,因此叫場效應電晶體(field effect transistor)。

nmos中襯底是p型摻雜,工藝上一般用一塊重摻雜的p區作為與外界的接觸,就像上圖中描述的那樣。在電路連線中,一般將mos的襯底與源連線到一起,使其電位相等。如果襯底的電位與源電位不等,則會存在體效應,引起閾值電壓的偏移。

積體電路中大規模應用的cmos技術,要求在一塊矽片上同時做多個nmos和pmos。但是nmos與pmos的襯底型別不同,這就要求在工藝上為其中一類電晶體做乙個區域性襯底,稱為阱,這類電晶體就做在阱中。因此,目前採取的技術是:nmos直接做在p襯底上,而在需要做pmos的區域做一塊摻雜的n區,稱為n阱(well),pmos就做在這個阱中。  

因此在cmos電路中,nmos共用同乙個襯底,而pmos處在各自的n阱中。這就造成了nmos和pmos在襯底處理上的不同:所有nmos的襯底由於連在一起,處於同一電位,不能保證其襯底與源極的電位完全相同,而各個pmos的襯底則可以靈活處理。這就是在一般的電路分析中nmos要考慮體效應而pmos不用考慮的原因。

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